磨齒機磨頭電機軸承失效分析與預測

胡宏明

（南京高速齒輪制造有限公司，南京 211122）

中國正從制造業大國向制造業強國邁進，其中出色的自研設計能力和高精度加工水平是由大變強的關鍵。工業高精度加工由高精度機床保證。有效的預防性預測性維護策略是保證產品加工質量的關鍵。南高齒是全世界風電主齒輪箱市場占有率最大的領頭企業，本文擬分享實際工作中如何對進口數控成形磨齒機磨頭電機軸承失效進行分析和預測。

1 檢測方法選擇

數控成形磨齒機是齒輪加工的精密機床。磨頭伺服電機的旋轉精度很高，是決定齒輪磨削品質的重要部件之一。磨頭電機選用的是高精度軸承，在軸承完全失效之前，如出現滾子點蝕、滾道磨損等都會引起電機旋轉軸的軸向跳動和徑向跳動變化，從而出現異常振動。這種振動會嚴重影響磨齒質量，需要進行預測。

振動信號作為機械設備的重要動力學特征，可有效反映除系統或部件因機械磨損、疲勞、老化等出現的開裂和故障[1-2]。對于磨頭電機軸承失效分析預測最有效的技術是振動分析技術，通過振動儀采集磨頭振動數據。振動檢測的參數有位移、速度和加速度。位移能有效反映低頻特性，加速度能有效反映高頻特性，而速度介于兩者之間。因此，應當根據診斷對象振動信號的頻率選擇不同的測量參數。針對高轉速的磨頭電機軸承，主要采用加速度傳感器進行檢測。

2 失效階段性預判

2.1 軸承的故障特征頻率

機床伺服電機滾動軸承的固有頻率與轉速無關，頻率一般為500～2 000 Hz，結構如圖1所示。

圖1 軸承結構示意圖

振動是滾動軸承故障特征頻率的主要來源，主要包括外圈缺陷頻率（Ball Pass Frequency on Outer race，BPFO）、內圈缺陷頻率（Ball Pass Frequency on Inner race，BPFI）、滾動體缺陷頻率（Ball Spin Frequency，BSF）和保持架缺陷頻率（Fundamental Train Frequency，FTF）共4個特征頻率[3-4]，表達式依次為：

式中：α為徑向接觸角；Dw為滾動體直徑；Dpw為滾動軸承平均直徑；Nb為滾動體數量。

2.2 軸承失效階段

根據已知軸承型號，按照固有頻率和故障特征頻率的特點和計算方式獲得軸承振動頻率，用于對比判斷軸承失效狀態。軸承失效分為初期、發展期、快速發展期和末期4個階段，對應的表象和測試手段如下[5-7]。

2.2.1 失效初期

在次表面形成微觀裂紋或晶格的錯位，振動總量增加較小，振動加速度傳感器很難檢測到。此階段可以使用聲發射傳感器進行采集，主要表征為能量值變大。因為數控磨齒機加工的零件種類很多，不同零件、不同磨削工藝階段磨削時磨頭電機功率差異很大，且磨頭電機位置相對封閉，所以很難利用聲發射傳感器進行初期失效檢測。

2.2.2 失效發展期

劣化由次表面向表面擴散，接觸表面形成裂紋或微小剝落，通過接觸形成一定頻率的沖擊。沖擊信號會激勵零部件高頻固有頻率發生共振，導致高頻振動變大。此階段可以使用振動加速度傳感器結合包絡分析觀測固有頻率段幅值增大。

2.2.3 快速發展期

損傷點對接觸面沖擊越來越強。此階段可用振動加速度傳感器結合功率譜觀測到共振段故障特征頻率越來越多，且在3倍轉頻到固有頻率段之間出現倍頻故障特征點。此階段為維護的關鍵時期，一旦發現設備進入快速發展期，應協調生產進行預防性停機維護。

2.2.4 失效末期

損傷點擴大，噪聲和溫升明顯增大。此階段可用振動加速度傳感器結合功率譜觀測到明顯的故障特征頻率和其邊帶頻率。此階段會導致設備或工件損壞，應極力避免進入此階段工作。

對于磨齒機的磨頭電機軸承失效分析，及時檢測到軸承失效發展期，做好維修準備，安排在快速發展期到之前進行維修。既做到及時維修，杜絕磨削質量損失，又避免突然故障影響生產計劃，降低維修成本，不出現過維護情況。

3 失效位置預判

3.1 軸承外圈缺陷頻譜特點

如圖2所示，軸承外圈缺陷會導致解調頻譜中存在明顯可見的軸承外圈缺陷頻率（BPFO）及其高次諧波。若外圈旋轉，則會出現其速度頻率的側頻率。

圖2 軸承外圈缺陷及其解調譜

3.2 軸承內圈缺陷頻譜特點

如圖3所示，軸承內圈會導致解調頻譜中存在明顯可見的軸承內圈缺陷頻率（BPFI）及其高次諧波。若內圈軸承旋轉，則可能會出現其速度頻率的側頻。

圖3 軸承內圈缺陷及其解調譜

當內環失效時，如果軸承位于加載區域，沖擊會更強烈，導致更高的振幅。當內圈故障位置不在加載區域時，振幅會迅速減小，并在軸承頂部達到振幅的最小值。在這種情況下，內環的故障頻率受旋轉頻率的調制，且在解調頻譜中可以發現1×側頻率的出現。

3.3 軸承滾動體缺陷頻率特點

如圖4所示，若軸承滾動體存在缺陷，在解調頻譜中可以發現明顯可見的滾動體缺陷頻率（BSF）及其高次諧波。此外，解調譜上BSF的半諧波是由于滾動體對外圈的碰撞大于內圈的碰撞所導致的。

當滾珠在載荷區產生的振動沖擊大于非載荷區的振動沖擊時，滾珠故障同樣會導致調制的產生。越遠離載荷區，振動幅度越大。滾珠沿軸承以保持架頻率FT滾動。該頻率為0.4×～1×。

3.4 軸承保持架缺陷頻譜特點

如圖5所示，若軸承保持架故障，則在解調頻譜上發現軸承保持架缺陷頻率（FIF）及其高次諧波。此外，軸承潤滑不良也會導致軸承保持架缺陷頻率的出現。

4 維修案例分享

4.1 磨齒機更換磨頭電機軸承（故障分析維修）

齒圈在試驗加載后，經磁粉探傷發現加載振紋。從該齒圈測量報告結果分析，齒形合格，表面粗糙度合格。該齒圈在裝入齒輪箱加載試驗后，出現加載振紋，如圖6所示。反查該齒圈的加工磨齒機，對磨頭電機軸承進行振動分析，根據內圈頻譜圖判定軸承失效，如圖7所示。經解體電機，檢查確認軸承內圈表面點蝕、剝落嚴重，如圖8所示。

圖4 軸承滾動體缺陷及其解調譜

圖5 軸承保持架缺陷及其解調譜

圖6 加載后齒面紋路

圖7 內圈損壞缺陷頻譜圖

圖8 軸承內圈損壞情況

圖9 維修前頻譜圖

4.2 磨齒機更換磨頭電機軸承（預測性維修）

在對某臺磨齒機磨頭電機軸承的檢測過程中，發現其特征頻譜圖如圖9所示。分析認為該磨頭電機軸承已出現失效，需要維修。將電機拆開后，發現軸承內圈表面已經有剝落（如圖10所示），外圈磨損出現松動（如圖11所示），檢查結果和預判一致。維修后的頻譜圖，如圖12所示。

圖10 軸承內圈剝落

圖11 軸承外圈磨損松動

圖12 維修后頻譜圖

5 結語

針對磨齒機磨頭電機軸承易失效的問題，通過理論分析，應用振動分析方法，提出了磨齒機磨頭電機軸承失效分析與預測方法，并將該方法應用于實踐案例，能夠及時發現磨頭電機軸承失效趨勢，安排維修，避免了非計劃停機，有助于保證磨齒質量，也有利于保障產品的按時交付。