電主軸在機可靠性試驗和評估方法研究

□ 辛慶偉 □ 周大朝 □ 邢諾貝 □ 劉福軍 □ 許黎明

上海交通大學 機械與動力工程學院 上海 200206

1 研究背景

隨著傳動技術的發展,電主軸的整體水平越來越高,其精度保持能力、壽命及可靠度指標都得到大幅提升,故障間隔時間往往超過數千小時。現行電主軸可靠性驗證主要有定時截尾試驗、可靠性強化試驗等,定時截尾試驗需要面對試驗期間無故障出現的問題,可靠性強化試驗通常多用于試驗研發階段激發產品的潛在缺陷。電主軸可靠性試驗通常需要對選取的樣本采用專用模擬加載裝置進行配合試驗,多用于產品接收階段或者研發階段,難以運用到實際生產中。為此,筆者對加工中心的電主軸進行在機加速加載試驗,開展對電主軸在機可靠性試驗和評估的研究。

要實現電主軸的在機可靠性試驗和評估,需要解決兩個主要問題:① 選取和采集能夠反映電主軸性能退化的特征量;② 通過性能退化數據評估電主軸的失效時間。

加速退化試驗最早于20世紀80年代被提出。Lu Jye-Chyi等[1]最先提出利用產品的性能退化量開展可靠性試驗及評估。趙建印等[2]基于性能退化數據,對累積損傷過程下的產品退化失效進行了建模分析。遲玉倫等[3]利用聲發射傳感器采集電主軸性能退化數據,對電主軸進行可靠性研究。蔣喜等[4]將退化理論應用于電主軸的可靠性研究,得到電主軸的偽失效壽命,以此來進行可靠性評估。在性能退化數據收集方面,鄔再新等[5]應用LabVIEW軟件開發了高速電主軸試驗臺數據采集系統,實現了在試驗臺上對電主軸試驗過程中電流、轉矩、轉速等主要參數的采集。陸建明等[6]研發了數字化數控機床主軸測試系統,集成了各類檢測功能,實現了電主軸測試數據采集的實時性和精確性。電主軸性能退化特征量的選擇一般基于對電主軸失效機理的分析。張玥等[7]分析了潤滑系統的故障情況,并提出了改進措施。王紅軍等[8]選擇電流作為電主軸性能退化量,建立了電主軸性能退化模型。邱榮華等[9]將徑向跳動作為退化量進行可靠性試驗,但由于電主軸樣本量較少,在可靠性指標的評估上存在一定難度。文獻[10-12]對小樣本情況下的電主軸可靠性評估進行了一定研究。

上述工作大多是在試驗臺上進行,試驗時間和成本較高,且對于性能退化的電主軸在機可靠性加速試驗還缺乏研究。為此,筆者針對可靠性試驗過程中的電主軸性能退化數據進行采集和分析,克服以往試驗時間長、失效數據量少的困難,利用在機試驗節約試驗成本,并利用韋布爾分布對同類型電主軸的可靠性進行評估,驗證在機電主軸可靠性評估方法的有效性。

2 電主軸性能退化量選取

電主軸性能退化的主要表現形式有電主軸精度超標、電主軸振動、異響、軸承溫度升高、電主軸功率增大等,其中,電主軸的精度保持性直接影響零件的加工質量,是決定機床性能的重要指標。

筆者的試驗對象為轎車動力總成加工中心的電主軸,工作特點是轉速快、受力復雜。電主軸在加工過程中主要受扭矩、彎矩、不規則徑向力、軸向力等切削載荷作用,在長時間切削累積載荷影響下,會出現電主軸軸承組磨損、點蝕等疲勞損壞,切削加工過程中的沖擊會造成軸承組、轉子等配合松動,這些影響最終會導致電主軸在高速旋轉過程中穩定性變差,徑向跳動增大,加工零件質量超差,以及振動、異響超標等。切削載荷對電主軸電機的影響主要表現在電主軸功率增大、電主軸加速時間變長、定子線圈工作溫度上升等方面。電主軸性能退化通常都是漸變的過程,呈現出一定的變化規律。

在電主軸性能退化量的選取上,要滿足以下兩個條件:所選擇的退化量基于電主軸失效機理分析,能夠隨著電主軸性能的退化一起漸變;所選取的性能退化量應該具有明確的定義。通過對電主軸性能退化機理分析,發現電主軸的性能退化大多表現為電主軸精度、振動、負載電流及溫度變化,最終選擇電主軸前端徑向跳動、電主軸前后端軸承振動信號作為性能退化量。

3 數據采集

數據采集系統應該滿足以下條件:① 可以設定性能退化數據采集的試驗條件,如轉速、刀具、加載量等,保證試驗過程的一致性;② 多種性能退化數據同步采集;③ 自動觸發數據采集、標記和保存;④ 傳感器布置方便,且安裝穩定。

電主軸傳感器位置布置如圖1所示,電主軸性能退化數據采集和處理流程如圖2所示。電主軸的振動、徑向跳動、負載電流等性能退化量數據采集要在相同條件下進行,即電主軸轉速、夾載刀具類型、進給速度等加工工況要前后一致。在電主軸可靠性加速試驗中,采集加載過程中電主軸運轉比較穩定階段的數據,減小信號受到的干擾。對電主軸性能退化量數據進行處理后,預測出電主軸性能失效時間。

▲圖1 電主軸傳感器位置布置▲圖2 電主軸性能退化數據采集和處理流程

4 數據處理方法

采集徑向跳動和電主軸前后軸承振動信號,對電主軸的性能退化進行評估預測。徑向跳動和加載試驗初始徑向跳動之比稱為徑向跳動比,其閾值設定為Trout。當徑向跳動比大于閾值時,即認為電主軸出現性能失效,記一次故障。對于振動信號,采用一種小波包能量偏移算法來評估退化趨勢,能量偏移度閾值設定為Tes。當能量偏移度大于設定閾值時,即認為出現性能失效。

能量偏移度計算方法如下:通過小波包進行j層分解,得到2j=M個頻域段,能量值Ei為:

(1)

原始信號能量值Er為:

(2)

歸一化處理后得到振動信號的特征向量T為:

(3)

假設電主軸初始狀態振動信號的能量特征向量為[p1,p2,…,pM],在機試驗過程中電主軸前后軸承處振動信號的特征向量為[f1,f2,…,fM],則電主軸能量偏移度λ為:

(4)

基于上述算法對電主軸加速加載試驗得到的數據進行處理,得到電主軸能量偏移度。對計算得到的電主軸能量偏移度和徑向跳動變動率數據進行線性擬合,得到電主軸性能退化趨勢,根據設置的失效閾值預測電主軸性能失效時間。

根據電主軸在機可靠性加速試驗采集到的性能退化數據,得到電主軸三個性能退化量的特征退化趨勢,如圖3所示,回歸方程列于圖中。

根據技術要求,試驗中閾值Trout設定為1.6,Tes設定為0.3。在生產中,普遍認為徑向跳動比達到1.6表征電主軸性能出現嚴重退化,能量偏移度達到0.3表征電主軸已經出現點蝕、裂紋等嚴重故障。對應徑向跳動、前后軸承振動退化量擬合結果,得到加速試驗條件下電主軸性能失效時間分別為536 h、751 h、570 h,選擇最短的性能失效時間536 h,作為電主軸可靠性加速試驗出現性能失效的時間。在此基礎上,通過確定電主軸可靠性加速試驗加速因數,計算正常工況下電主軸的等效失效時間。

設加速因數為k,有如下關系式:

TN=kTA

(5)

式中:TA和TN分別為加速和正常載荷譜下加載時間。

根據逆冪律定律和疲勞累積損傷原理[13],可得:

(6)

式中:[SA]為加速試驗單位時間內在載荷PA作用下電主軸受到的損傷;[SN]為正常使用情況下單位時間內在載荷PN作用下電主軸受到的損傷;me為載荷對損傷的影響因子。

根據疲勞累積損傷原理,在載荷的作用下,電主軸受到的疲勞損傷是不斷累加的,各個載荷彼此之間不產生影響,當載荷累加到臨界值時,就會產生疲勞損壞。

電主軸在一定載荷譜循環時間段內,加速和正常載荷譜下產生的總損傷SA、SN分別為:

(7)

(8)

對照載荷譜,進行歸一化處理后得到當量累積損傷[SA]和[SN],即在單位時間內按照試驗載荷譜和實際載荷譜加載所產生的損傷:

(9)

(10)

式中:Pn為額定載荷。

根據累積損傷原理,兩種載荷譜造成的損傷一致,于是有:

▲圖3 電主軸性能退化量特征退化趨勢

[SA]TA=[SN]TN

(11)

進而可得:

TN=[SA]/[SN]=kTA

(12)

載荷譜等級劃分規則如下:0～3%額定載荷為空載,3%～30%額定載荷為輕載,30%～70%額定載荷為中載,70%～100%額定載荷為重載。按照劃分規則對機床實際加工過程受到的載荷進行劃分,得到機床實際載荷譜。

機床加速試驗載荷譜如圖4所示,實際生產載荷譜計算得到加速因數k為10.56。加速試驗下根據性能退化量預測電主軸性能失效時間為5 660 h。

5 電主軸可靠性評估

通過實際收集到的同類型電主軸性能故障數據計算可靠性指標,與所預測的電主軸性能失效時間進行對比。

大量研究發現,機械產品的故障間隔時間服從兩參數韋布爾分布。累積分布函數F(t)為:

▲圖4 機床加速試驗載荷譜▲圖5 機床實際生產載荷譜

(13)

式中:m為形狀參數;η為尺度參數;t為故障時間。

概率密度函數f(t)為:

(14)

可靠度函數R(t)為:

(15)

電主軸平均故障間隔時間的點估計MTBF為:

(16)

因此,只要求出m和η的估計值,就可以估算出電主軸的故障間隔時間。

利用最小二乘原理來確定韋布爾分布參數,對式(13)取對數:

(17)

令:

(18)

x=lnt

(19)

A=-mlnη

(20)

B=m

(21)

依據最小二乘原理:

(22)

(23)

(24)

(25)

得到韋布爾分布的參數估計值:

(26)

(27)

表1 同類型電主軸故障數據

6 結束語

筆者基于電主軸的性能退化量和自動化數據采集系統,提出一種電主軸在機可靠性試驗和評估方法。應用這一方法,可以在電主軸使用現場進行試驗,在軟件中設置參數后自動實現數據采集,對電主軸出現性能故障的時間進行預測。與同類型電主軸性能故障數據跟蹤統計計算的可靠性指標進行對比,兩種方法得到的結果有很好的一致性,驗證了在機可靠性試驗和方法的有效性。這一方法還可以進一步推廣應用于電主軸運行可靠性監測。