圓錐滾子軸承振動自動測量與分選系統(tǒng)設(shè)計

張 健

陜西延長石油集團橫山魏墻煤業(yè)有限公司 陜西 榆林 719100

0 引言

圓錐滾子軸承是一種應(yīng)用廣泛的滾動軸承,在礦山機械、工程機械、運輸機械等行業(yè)中占有重要地位。根據(jù)統(tǒng)計,在以滾動軸承作為旋轉(zhuǎn)支撐的設(shè)備中,由滾動軸承引起的機械故障大約占30%。因此為了保證滾動軸承的質(zhì)量,應(yīng)對滾動軸承的游隙、噪聲和振動等質(zhì)量評價指標進行檢驗,只有通過質(zhì)量檢驗的滾動軸承才能進行使用。滾動軸承的振動特征可以綜合反映出軸承的動態(tài)特性,即在復(fù)雜環(huán)境和多影響因素中能夠?qū)S承組成零件的運轉(zhuǎn)、缺陷等情況進行準確、詳細的表征。通過測量并分析圓錐滾子軸承振動信號,能夠及時發(fā)現(xiàn)軸承故障,降低事故發(fā)生的概率,節(jié)約成本,對防止重大事故的發(fā)生具有重大的現(xiàn)實意義。

本文提出一種基于PLC的圓錐滾子軸承振動自動測量與分選系統(tǒng),該系統(tǒng)可應(yīng)用于軸承使用前的質(zhì)量檢測作業(yè)中。與傳統(tǒng)測量方式相比具有效率高、可靠性強等特點,能夠滿足圓錐滾子軸承在自動生產(chǎn)線上的振動信號自動測量與分選。

1 系統(tǒng)總體方案

1.1 軸承振動信號測量流程 圓錐滾子軸承振動信號的測量需要在軸承運動過程中進行。首先將待測軸承安裝在主軸上,內(nèi)圈隨主軸以規(guī)定的轉(zhuǎn)速進行旋轉(zhuǎn),外圈保持靜止或漸次轉(zhuǎn)動。對待測軸承外圈施加一定大小的軸向載荷或徑向載荷。然后將傳感器定位在軸承外圈的外圓柱面上且對應(yīng)于受加載力的外圈的中間平面上。最后在規(guī)定的時間內(nèi)利用傳感器提取滾動軸承的振動信號并將其變?yōu)殡娦盘?經(jīng)過電荷放大器的放大、濾波等作用,由A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號傳送給個人計算機,個人計算機對采集到的數(shù)據(jù)進行分析、計算,得出一個或多個用于評價軸承振動水平的參數(shù)。軸承振動測量流程如圖1所示。

圖1 軸承振動測量流程圖

1.2 測量系統(tǒng)的組成 根據(jù)圓錐滾子軸承振動自動測量系統(tǒng)的功能與工作流程,將其分為機械系統(tǒng)和測控系統(tǒng)兩個部分,其詳細的組成如圖2所示。機械系統(tǒng)包括主軸裝置、加載裝置、傳感器及其調(diào)整裝置、送料裝置、卸料裝置、分選裝置和輸送裝置,主要對圓錐滾子軸承實現(xiàn)送料、安裝、驅(qū)動、加載、卸料、分選、輸送等功能。測控系統(tǒng)包括氣動系統(tǒng)、動作控制系統(tǒng)和信號采集與分析系統(tǒng),可實現(xiàn)自動控制、振動信號的采集、數(shù)據(jù)處理和結(jié)果的顯示等功能。

圖2 軸承振動自動測量與分選系統(tǒng)組成

2 系統(tǒng)機械結(jié)構(gòu)設(shè)計

圓錐滾子軸承振動自動測量分選系統(tǒng)是一個在無人條件下全自動進行軸承振動測量的系統(tǒng)。因此在設(shè)計機械結(jié)構(gòu)布局時應(yīng)以主軸裝置、加載裝置為主體,再根據(jù)其他裝置的功能從兩側(cè)進行布置。

2.1 機械系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu) 為了完成既定功能,測量系統(tǒng)的機械結(jié)構(gòu)應(yīng)該能夠完成以下動作：準備工作、初始狀態(tài)、送料動作、軸承安裝、傳感器動作、加載動作、測量采樣、卸料動作、輸送動作、分選動作。根據(jù)測量系統(tǒng)功能及組成可分析得出該系統(tǒng)應(yīng)該至少具備以下三個工位,即圓錐滾子軸承送料工位、振動測量工位和軸承分選工位。下面對其進行詳細分析：

1)送料工位：即圓錐滾子軸承進入該振動測量系統(tǒng)的起始工位,位于上一道工序的結(jié)束工位。本系統(tǒng)的軸承送料裝置,主要由氣爪夾持待測圓錐滾子軸承,無桿氣缸驅(qū)動滑塊帶動氣爪進行運動,從而實現(xiàn)待測軸承的送料。

2)振動測量工位：為實現(xiàn)圓錐滾子軸承的振動自動測量,在振動測量工位上應(yīng)布置主軸驅(qū)動裝置、加載裝置和傳感器調(diào)整裝置。

3)分選工位：根據(jù)圓錐滾子軸承的測量結(jié)果是否合格進行分選動作,合格則不執(zhí)行動作,不合格則執(zhí)行分選動作,因此只需要設(shè)計兩條軸承出料通道。

總之,圓錐滾子軸承由上一道工序經(jīng)過送料、安裝、加載、卸料以及分選等一系列動作,最終實現(xiàn)圓錐滾子軸承的振動測量。該測量過程是由送料裝置、主軸裝置、加載裝置、帶式輸送機等裝置協(xié)調(diào)統(tǒng)一配合的結(jié)果。其結(jié)構(gòu)布局如圖3所示。

圖3 機械系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2.2 機械系統(tǒng)各功能模塊

2.2.1 送料裝置 在待測圓錐滾子軸承在裝配的最后一道工序完成后,將由旋轉(zhuǎn)氣爪夾持待測圓錐滾子軸承送至軸承托盤上,等待進行振動測量。在振動測量完成后,送料裝置將重新夾持圓錐滾子軸承送至輸送裝置上,對圓錐滾子軸承進行下一次操作,然后送料裝置返回至圓錐滾子軸承的最后一道裝配工序位,從而實現(xiàn)連續(xù)的振動測量。送料裝置結(jié)構(gòu)如圖4。

圖4 送料裝置結(jié)構(gòu)圖

2.2.2 主軸裝置 圓錐滾子軸承在進行振動測量時,軸承內(nèi)圈安裝在心軸上,并隨心軸一起以規(guī)定的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)。主軸裝置主要由心軸、靜壓主軸、電機和帶傳動組成。電機通過帶傳動驅(qū)動主軸,主軸帶動心軸旋轉(zhuǎn),被測軸承安裝在心軸上跟隨心軸一起旋轉(zhuǎn)。主軸裝置結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 主軸裝置結(jié)構(gòu)圖

2.2.3 測量加載裝置 加載裝置主要是對圓錐滾子軸承的外圈施加軸向載荷,保持軸承外圈的靜止。傳統(tǒng)的軸承振動測量加載裝置均采用彈簧加載形式對被測軸承進行加載,每測量一個軸承就需要操作人員手動的將彈簧加載力施加在被測圓錐滾子軸承的內(nèi)圈,這種加載裝置效率普遍偏低,為了滿足自動測量的目的,設(shè)計了新型加載裝置,如圖6所示。

圖6 加載裝置結(jié)構(gòu)圖

該裝置采用氣缸－彈簧加載形式,在每次更換測量的圓錐滾子軸承時只需要調(diào)節(jié)調(diào)節(jié)盤即可改變彈簧的壓縮量,從而改變施加在待測軸承外圈的加載力。推力爪采用呈120°分布的三個硬橡膠墊與被測軸承外圈進行接觸。另外,為保證加載力的對中性與導向作用,在加載裝置與機架之間使用導軌滑塊。

2.2.4 傳感器調(diào)整裝置 當待測圓錐滾子軸承的型號發(fā)生更換時,軸承的外徑和寬度會隨之發(fā)生變化。軸承振動測量時,根據(jù)加速度傳感器的安裝位置要求,傳感器應(yīng)始終與待測軸承的外表面保持接觸。軸承振動測量結(jié)束后,為避免加速度傳感器與其他裝置產(chǎn)生干涉應(yīng)及時將傳感器遠離軸承。為達到以上要求以及安裝位置精度,設(shè)計如圖7所示的位置調(diào)整裝置。

圖7 傳感器調(diào)整裝置

2.2.5 卸載裝置 當圓錐滾子軸承振動測量完成后,需要將其從心軸上卸載下來。考慮到加載裝置對圓錐滾子軸承施加載荷較大,避免出現(xiàn)單個氣缸與軸承托盤構(gòu)成的懸臂梁不能成功地將已測圓錐滾子軸承從心軸中卸載下來,于是設(shè)計由兩個氣缸與軸承托盤組成的卸載裝置,如圖8所示。

圖8 卸料裝置

加載裝置中的球絞的作用是防止兩個卸料氣缸伸出不同時,導致被測軸承不能正常從心軸中卸載下來,甚至損壞被測軸承。

2.2.6 分選裝置 分選裝置是測量系統(tǒng)的一個重要組成部分。它的主要作用是：將合格的滾動軸承直接由輸送裝置(帶式輸送機)輸送到下一工位進行操作,不合格的滾動軸承將被分選裝置推至另一帶式輸送機上,輸送至不合格產(chǎn)品區(qū)域,進行診斷分析,提高加工水平。分選裝置的結(jié)構(gòu)如圖9所示。

圖9 分選裝置

3 測控系統(tǒng)設(shè)計

3.1 測控系統(tǒng)硬件設(shè)計 根據(jù)計算機測量控制系統(tǒng)工作原理,結(jié)合軸承振動自動測量系統(tǒng)的功能,以個人計算機與PLC為核心元件,設(shè)計測控系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu),并合理地對重要電氣元件進行選型。軸承振動自動測量的測控系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)由振動測量部分、動作控制部分與I/O 接口模塊三大部分組成,其硬件結(jié)構(gòu)如圖10所示。動作控制部分由可編程控制器PLC、氣缸、電機、磁性開關(guān)、電磁閥以及開關(guān)等元件構(gòu)成;振動測量部分由加速度傳感器、電荷放大器、數(shù)據(jù)采集卡以及計算機共同組成。I/O接口模塊起著連接動作控制部分與振動測量部分的作用。

圖10 硬件結(jié)構(gòu)示意圖

結(jié)合硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖,PLC主要控制氣缸的伸出縮回動作,以及主軸電機和輸送帶電機的運轉(zhuǎn)與停止,氣動系統(tǒng)原理圖如圖11所示,另外通過I/O 接口向計算機發(fā)送采樣信號。傳感器拾取軸承外圈的振動信號,轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘柡笸ㄟ^電荷放大器處理,再由數(shù)據(jù)采集卡對電信號進行采樣、量化、編碼轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號,最后計算機對數(shù)字信號進行分析,顯示結(jié)果。

圖11 氣動系統(tǒng)原理圖

3.2 測控系統(tǒng)軟件設(shè)計

圖12 PLC程序流程圖

圓錐滾子軸承振動自動測量的軟件系統(tǒng)是實現(xiàn)自動化的關(guān)鍵。軟件系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)由動作自動控制部分與振動測量部分組成,其結(jié)構(gòu)框圖如圖12所示。動作自動控制部分由PLC進行控制,PLC根據(jù)安裝在氣缸上的磁性開關(guān)的信號,通過控制電磁閥的換向進而控制各個氣缸的伸出縮回運動。振動測量部分則是通過計算機對數(shù)據(jù)采集卡、電荷放大器、加速度計直接或間接控制,利用信號分析程序?qū)φ駝有盘栠M行分析處理,將處理的結(jié)果存儲、顯示并反饋至PLC,然后由PLC 控制分選氣缸,對圓錐滾子軸承進行分選。

4 結(jié)論

4.1 結(jié)合圓錐滾子軸承的特點,提出了一種用于測量圓錐滾子軸承振動的方案。該方案采用計算機與PLC相結(jié)合的方式實現(xiàn)自動控制與振動測量。

4.2 提出了能夠?qū)崿F(xiàn)圓錐滾子軸承振動自動測量功能的機械結(jié)構(gòu)。機械結(jié)構(gòu)具體包括主軸裝置、加載裝置、送料裝置、卸料裝置、分選裝置和輸送裝置。重點設(shè)計了加載裝置,采用氣缸－彈簧的加載形式,通過調(diào)節(jié)彈簧的壓縮量改變施加載荷的大小,實現(xiàn)對不同型號的圓錐滾子軸承進行振動測量。

4.3 結(jié)合軸承振動自動測量系統(tǒng)的功能,以個人計算機與PLC 為核心元件,設(shè)計了測控系統(tǒng)的硬件部分,并對系統(tǒng)的PLC 流程圖進行了設(shè)計。