電主軸振動信號分析及故障預測

琚裕強 韋炫丞 鐘宛余

1. 柳州上汽汽車變速器有限公司柳東分公司 廣西 柳州 545005

2. 上汽通用五菱汽車股份有限公司 廣西 柳州 545007

1 引言

電主軸是集電機、冷卻系統、夾緊系統、液壓系統一體式的設備。應用常規（如觀察動作狀態、聽設備動行中的異響等）的方法不能有效對電主軸進行故障分析、維護和狀態監控，在結合常規方法的基礎上，對電主軸動態運行過程中產生的振動信號進行分析，可以使電主軸的動作狀態、故障分析信息化，有利于對電主軸故障診斷和維護[1]。

對電主軸振動信號分析主要采用傅立葉變換頻譜分析法和加速度包速法。傅里葉變換分析方法以從時域和頻域分析信號的組成部分，根據故障信號的頻率特征，可以準確判斷主軸故障的根本原因，它基于0-2kHz的較低頻率范圍，能夠監測軸承損壞中后期不平衡、不對中、共振問題等，然而，在軸承早期損傷振動信號振動幅度小、持續時間短、頻率寬，傳統的頻譜分析很難從電主軸振動信號的頻譜中提取到有效的故障初期信號頻率特征。

針對電主軸故障初期信號的特點，采用加速度包絡檢測技術[2]，在對振動信號進行前期數字濾波的基礎上，進一步對電主軸故障初期信號進行提取，掌握電主軸當前的工作狀態，預測和降低潛在故障風險。

2 電主軸振動信號檢測系統

2.1 電主軸系統

電主軸主要由模擬量傳感器、壓電傳感器、液壓系統、冷卻系統、夾緊系統、裝刀單元、冷卻液入口組成，如圖1所示。

圖1 電主軸系統組成示意圖

模擬量傳感器主要是通過傳感器感應拉桿距離的變化，實現對刀具在裝刀、卸刀、工件加工過程中夾緊狀態的監控，實時發送反饋信號給控制系統，對刀具工作狀況進行控制。

壓電傳感器主要是在線對主軸動態動行過程中振動信號的采集，然后通過對振動信號分析，對主軸、機床的當前工作狀態和故障狀態進行監控和評估。

液壓系統主要是通過對液壓缸進油量和出油量的控制，推動裝刀單元實現不同刀具在加工過程中的迅速、準確切換。

冷卻系統主要是通過制冷機對電機及主軸旋轉單元在主軸高速動轉時進行冷卻，降低電機和旋轉單元在高速旋轉時產生的溫度，達到對電機和旋轉單元的保護。冷卻液主要是加工中心在攻絲、鉆空中對刀具的冷卻，同時沖走工件加工過程中產生的廢料以免損壞刀具。

2.2 電主軸振動信號采集

用安裝在其內部的專業測量儀器——壓電傳感器（即應變電阻橋）對電主軸振動信號進行采集[3]，其輸出信號為級微弱信號，由于振動信號比較微弱，必須對采樣信號進行放大，進行A/D轉換后進行數字濾波[4]，再對濾波信號進行包絡檢測及頻譜分析。現某發動機工廠采的數據采集器型號為SKF CMXA 70-M-K-SL，振動信號采集系統如圖2所示。

圖2 振動信號采集系統

SKF CMXA 70-M-K-SL數據采集器中設置有4種濾波器，根據電主軸型號和實際工作情況，選擇運用哪一種濾波器進行工作[5]。表1是基于工頻，即基于設備轉速的一個包絡濾波器選擇標準。從表1中顯示設備轉速范圍和頻率分析范圍。

表1 SKF包絡設定參數表

3 加速度包絡法基本原理

在軸承損傷的早期，振動的幅值很小，持續的時間也短，能量都分散在很寬的頻率范圍內，常常會被其他信號淹沒[6]。經過圖2中的帶通濾波器，濾除高幅度低頻干擾信號，加強高頻段瞬態畸變微小的振動信號能量，再運用SKF包絡檢測技術，將濾出來的時域信號進行整流，再濾波，最后將整流濾波后的時域波形進行傅里葉變換，轉化到低頻段顯示[7]。加速度包絡法基本原理描述如下。

假設振動信號通過濾波后，只限高于缺陷頻率50倍以上才能通過，當一系列振動信號的倍頻和它自身相乘后，在相乘的過程中，根據積化和差公式：

可以得到相加、相減的兩部分頻率公式：

假設

由式（1）得：

由于相加的部分（α+β）已經超出了分析的范圍，所以我們只考慮相減部分。由上面的公式（2）推理得：

通過上面一系列倍頻相乘后，得到了1×，2×，…等一系列振動信號頻率的組成部分，將高頻段信號特征部分提取，分析故障原因。

4 試驗結果分析

4.1 速度包絡法在電主軸故障預測中的應用

某發動機工廠運用的信號處理分析軟件為Machine Analyst 3.0。

電主軸振動信號采集條件：轉速統一設定為5000 RPM，這樣可以進行橫向和縱向的對比。所謂橫向對比，由于電主軸型號一致，內部軸承型號也一致，在正常情況下，各電主軸之間的振動值應該相差不大，利用這一點，可以便于我們做出好的判斷和預測。所謂縱向對比，針對同一臺電主軸，不同的時刻所采集的數據進行比較。

下面是2008年9月份，對缸蓋一線所有加工中心電主軸進行周期檢測振動信號的加速度包絡值，如表2 所示。生產線OP10-OP40為粗加工工位，OP80-OP110P為半精加工工位，OP140-OP170為精加工工位，從不同工位電主軸振動信號加速度包絡報警值可以看出OP40A、OP170A兩臺加工中心的電主軸振動信號出現異常，OP40和都超出報警值范圍，需緊急做出故障分析，OP170 Env值比較高，而Vel值沒有超出報警值范圍，所以加強OP170的數據采集，繼續跟蹤。

表2 缸蓋一線電主軸振動信號加速度包絡值

CHM1OP40A的振動總值：加速度包絡值 41.038gE ；速度總值14.033mm/s

圖3 加速度包絡頻域譜圖

圖4 加速度包絡時域圖

從圖3中，頻譜開始出現周期性的峰值，而且總值高達41.038gE，而且在圖4的時域信號中，可以看到一束一束的沖擊信號。

圖5 速度時域圖

圖6 速度頻域圖

對于出現早期故障的電主軸，是否需要更換，還要看其速度譜線的鋒值，才能判斷是否需要更換。由圖5中可以看到，主軸的沖擊信號更加明顯，同時，在現場檢測的時候還可以聽到輕微的噪聲。在速度頻譜中（如圖6所示），頻譜中出現周期性的峰值，速度總值達14.033mm/s。

從圖7中可以明顯看到軸承7194內圈存在明顯的損傷，由于振動值較上次有所減小，可見軸承原有的缺陷已被磨合，表面平整度好于損傷開始，損傷已進入第三階段，即穩定磨損期。

圖7 加速度頻域圖

圖8 速度頻域圖

從圖8可以看到，過大的振動值部分可能來源于基礎結構的松動或是不平衡。綜上所述，建議在測量報告有較明顯波動時有必要在大修時間對電主軸更換。

4.2 結論

根據早期故障振動信號的特點，運用加速度包絡技術對原始采集信號中故障信號部分進行頻譜提取增強，去除低頻高強度信號，得到利于觀察分析的小幅度故障振動信號，此方法有效地提高了電主軸故障預測和診斷的準確性。經過對發動機工廠200根電主軸多年的故障初期的預測和診斷，使其在故障惡化之前及時采取維護措施，降低了停線率和維修成本，通過實踐驗證了該方法的有效性和可靠性。