加工中心電主軸預(yù)測性維修

楊 波

（北京福田康明斯發(fā)動機有限公司，北京 102206）

設(shè)備的診斷技術(shù)水平已經(jīng)有較大的提高，并且逐漸出現(xiàn)了越來越多先進(jìn)的設(shè)備診斷技術(shù)和檢測技術(shù)。在這些先進(jìn)技術(shù)的幫助下，工作人員在對設(shè)備進(jìn)行維護的時候可以及時采集設(shè)備的故障信息，然后利用相關(guān)技術(shù)加以分析。另外，這些先進(jìn)的設(shè)備診斷技術(shù)不僅可以在離線的狀態(tài)下檢測設(shè)備故障，還可以在檢測結(jié)束后自動生成檢測與分析的報告，為設(shè)備維修人員的工作帶來了極大的便利。

1 加工中心電主軸概述

1.1 電主軸的結(jié)構(gòu)

作為一種高精度的自動化加工設(shè)備，加工中心的結(jié)構(gòu)組成比較復(fù)雜，其中包含了各種各樣的部件，其主要作用的成分有6種組成結(jié)構(gòu)。（1）組成結(jié)構(gòu)是床身；（2）是工作臺；（3）結(jié)構(gòu)是進(jìn)給系統(tǒng)；（4）結(jié)構(gòu)是升降臺；（5）結(jié)構(gòu)是刀具系統(tǒng)；（6）結(jié)構(gòu)是冷卻潤滑系統(tǒng)。在加工中心中還包含了電主軸成分，該成分是加工中心的旋轉(zhuǎn)軸，屬于一種關(guān)鍵性的心臟部件[1]。電主軸的主要作用就是能夠?qū)⒓庸ぶ行牡闹鬏S與主軸電機建立起相關(guān)的聯(lián)系，使這兩者融為一體。加工中心中安裝的有內(nèi)裝式電動機，可以驅(qū)動機床主軸的運行，在運行的過程中，機床主傳動鏈的長度就會發(fā)生變化，能夠直接縮短至零。這種傳動結(jié)構(gòu)形式最大的特點就是，機床主軸和主軸電動機是合在一起的，在這種傳動結(jié)構(gòu)形式下，主軸部件就可以成為一個獨立的單元，與機床的傳統(tǒng)系統(tǒng)是相分離的，這種單元就可以被稱為電主軸。

電主軸作為一個獨立的單元，擁有一個完整的系統(tǒng)，該系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)不是單一的，而是由許多大的部件和小的部件組合而成。電主軸的大部件主要包括軸承部件、轉(zhuǎn)子部件、冷卻系統(tǒng)，還有轉(zhuǎn)軸部件、定子部件，以及主軸外殼和變頻驅(qū)動器等等[2]。加工中心電主軸的組成結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 加工中心電主軸組成結(jié)構(gòu)圖

加工中心在之前使用的是比較傳統(tǒng)的主軸，如今的電主軸具有更多的優(yōu)勢。一是如今的電主軸可以在電機的驅(qū)動下開始運行，在傳動的過程中可以省去很多傳動部件，比如齒輪部件、皮帶部件等。另外，電主軸在進(jìn)行傳動的時候產(chǎn)生的噪聲也是非常低的，使用的時間和年限比較長，能夠節(jié)約大量的時間成本和人力物力資源，節(jié)能效果比較好。最后，電主軸由于內(nèi)部的組成結(jié)構(gòu)比較緊湊，所以傳動的速度比較快，效率比較高。二是電主軸在運行的過程中會使用交流變頻技術(shù)，該技術(shù)能夠幫助電主軸實現(xiàn)無級變速，但必須在額定的轉(zhuǎn)速范圍之內(nèi)，這樣的話，即使是在不同的工況情況下，電主軸也可以較好地滿足其變化需求。三是在電主軸的內(nèi)部，還裝有電機閉環(huán)矢量控制，可以對機床進(jìn)行大轉(zhuǎn)矩的操作，還可以對角向進(jìn)行更加精準(zhǔn)的定位，在執(zhí)行這一系列操作的過程中，電主軸都能夠處于一種穩(wěn)定的狀態(tài)。

1.2 電主軸的工作原理

定子是電主軸的核心部件之一，在運行的時候可以產(chǎn)生一種旋轉(zhuǎn)的磁場；轉(zhuǎn)子是電主軸的另一個核心部件，在運行的時候可以對電能進(jìn)行轉(zhuǎn)化，將其變?yōu)闄C械能。在這兩個核心部件之間會產(chǎn)生空隙，那么空隙的部位就可以對功率進(jìn)行輸出。

線圈是電主軸中的一個組成成分，其位于定子鐵心槽內(nèi)部，線圈相位之間的互差為120°，在運行的時候需要為其通上三相交流電。在通電之后，線圈會形成各自的磁場，通常情況下，這些磁場是正弦交變磁場，并且是相互對稱的。當(dāng)三個磁場疊加在一起時，就會形成一個新的磁場，該磁場的強度不會發(fā)生改變，但是磁極的方向是固定的，然后會以恒定的速度進(jìn)行旋轉(zhuǎn)。磁場在旋轉(zhuǎn)的過程中產(chǎn)生的轉(zhuǎn)速就可以當(dāng)作電主軸的同步轉(zhuǎn)速。電動機定子線圈電流頻率發(fā)生變化，電主軸的同步轉(zhuǎn)速就會隨之變化，另外，如果電動機定子的極對數(shù)發(fā)生了變化，那么電主軸的同步轉(zhuǎn)速也會發(fā)生變化[3]。也就是說電主軸的同步轉(zhuǎn)速是受這兩種因素影響的。工作人員可以輸入不同的電動機定子電流頻率，或者是輸入不同的勵磁電壓，這樣就可以使電主軸的轉(zhuǎn)速發(fā)生改變。當(dāng)工作人員對電主軸輸入電流的相序進(jìn)行相關(guān)調(diào)整，就可以讓電主軸電機旋轉(zhuǎn)的磁場方向發(fā)生改變，這樣就可以對電主軸運行的方向進(jìn)行有效控制。

2 電主軸軸承振動分析的工作原理

在某個發(fā)動機工廠中，一共有一百五十二臺加工中心，其中有部分加工中心的電主軸出現(xiàn)了故障，維修人員在分析其故障的原因之后，發(fā)現(xiàn)大部分的電主軸遭到損壞都是由同一個原因引起的，即軸承失效。那么接下來就需要對這些加工中心的電主軸進(jìn)行維修，但是如果更換加工中心的電主軸，每更換一次就需要十六個工時左右。該廠目前正處于生產(chǎn)階段，對這些加工中心的電主軸進(jìn)行維修需要耽誤大量的生產(chǎn)時間，嚴(yán)重的話還會造成停線，停止目前的生產(chǎn)工作，這樣一來，工廠就很難如期交工，對其輸出產(chǎn)量有非常不利的影響。由此可見，對加工中心電主軸進(jìn)行預(yù)測性的維修是非常有必要的，預(yù)測性維修可以及時發(fā)現(xiàn)電主軸軸承的運行狀態(tài)，一旦出現(xiàn)故障，維修人員便可以在最短的時間內(nèi)了解到故障的具體情況，然后采取相對應(yīng)的解決措施，以免出現(xiàn)電主軸軸承突然失效的問題，能夠?qū)p失降到最低。

在本次研究中，主要采用便攜式振動分析儀來對電主軸軸承的運行狀態(tài)進(jìn)行預(yù)測和分析，這款儀器是一種振動分析工具，由SKF公司生產(chǎn)。電主軸的主要技術(shù)參數(shù)包含了三個方面，其電動機的轉(zhuǎn)速是每分鐘一萬轉(zhuǎn)；其電動機的功率是60 kW；其軸承的型號為71917ACD。

此次研究使用的便攜式振動分析儀采用了一種方法可以過濾掉低頻信號，然后對高頻信號進(jìn)行處理，這種方法就是加速度包絡(luò)分析法。當(dāng)加工中心電主軸的軸承在運行的過程中出現(xiàn)了問題，就會發(fā)出一些高頻振動信號，還有低頻振動信號。那么使用便攜式振動分析儀對其進(jìn)行檢測，就可以采集這些振動信號，在該儀器中，濾波可以對這些振動信號進(jìn)行過濾處理，只留下高頻振動信號。之后，該儀器可以對這些遺留下的高頻振動信號進(jìn)行包絡(luò)解調(diào)，從而產(chǎn)生包絡(luò)線。最后，便攜式振動分析儀器可以對其進(jìn)行傅里葉變換的操作。便攜式振動分析儀在使用中所采用的包絡(luò)法能夠過濾電主軸軸承發(fā)出的不同振動信號，然后對高頻振動信號進(jìn)行相關(guān)的處理，這樣就可以在早期階段檢測出加工中心電主軸軸承可能發(fā)生的故障。

在加工中心電主軸的滾動軸承中，具有非常豐富的振動頻率，并且通過對這些振動信號的分析可以看出，其振動頻帶具有非常明顯的特點，即非常寬。對于滾動軸承不同的故障而言，其頻率成分也是不同的，這兩者之間是互相對應(yīng)的，具有特定性的特點。便攜式振動分析儀器可以對加工中心電主軸滾動軸承發(fā)出的特定頻率進(jìn)行相應(yīng)的處理，將其成分分離出來，然后計算出不同的故障所對應(yīng)信號的特征頻率，最后就可以根據(jù)特征頻率來找出加工中心電主軸軸承發(fā)生故障的位置，還可以確定不同位置上產(chǎn)生故障的類別。便攜式振動分析儀在采用包絡(luò)法對加工中心電主軸軸承進(jìn)行檢測的時候，不會受到電主軸發(fā)出的低頻成分的干擾，這樣就可以讓電主軸軸承產(chǎn)生的與故障相對應(yīng)的頻譜變得更加突出，以便于儀器在最短的時間內(nèi)診斷出故障的位置和類型，確保加工中心電主軸軸承故障診斷的精確性。

3 電主軸軸承振動的頻譜分析

3.1 參數(shù)設(shè)置

維修人員在使用便攜式振動分析儀器對加工中心電主軸進(jìn)行預(yù)測性維修之前，需要完成該儀器的參數(shù)設(shè)置，首先，維修人員需要在儀器中輸入采集頻率，將其范圍設(shè)置在五百千赫茲與十千赫茲之間，將其轉(zhuǎn)速設(shè)置為每分鐘兩千轉(zhuǎn)，對該儀器的測量輸出進(jìn)行設(shè)置，設(shè)為峰值。之后，維修人員還需要設(shè)定便攜式振動分析儀的測定結(jié)果，可以用紅色來代表加工中心電主軸軸承發(fā)生了嚴(yán)重的故障；用黃色來代表加工中心電主軸軸承發(fā)生了初期故障；用綠色來代表加工中心電主軸軸承處于正常的狀態(tài)。按照加工中心數(shù)控機床的行業(yè)規(guī)定與要求，將此便攜式振動分析儀器在檢測中顯示的初期故障的限值設(shè)置為2ge，將其在檢測中顯示的嚴(yán)重性故障的限值設(shè)置為5ge。

維修人員完成了便攜式振動分析儀的參數(shù)設(shè)置之后，還需要在儀器中設(shè)置加工中心電主軸的軸承型號，可以從型號庫中找出軸承的型號類別，然后將其添加到儀器的列表中。當(dāng)維修人員完成上述各項操作之后，便攜式振動分析儀器就可以顯示加工中心電主軸軸承的頻率，并且導(dǎo)出頻譜圖。維修人員可以根據(jù)便攜式振動分析儀器導(dǎo)出的頻譜圖來進(jìn)行判斷，在其中找出對應(yīng)的故障頻率，進(jìn)而找出加工中心電主軸軸承發(fā)生故障的位置，分析產(chǎn)生故障的原因，之后就可以采取應(yīng)對措施。維修人員可以在便攜式振動分析儀器中選中一個軸承的型號，然后在頻譜圖中查看其對應(yīng)的基頻信息，或者是根據(jù)軸承型號對應(yīng)的頻譜圖來采用人工計算的方式，最后也可以得出該型號下的加工中心電主軸軸承的故障頻率。

3.2 數(shù)據(jù)采集和分析

維修人員在利用便攜式振動分析儀來采集加工中心電主軸軸承的數(shù)據(jù)時，需要在電主軸前軸承的垂直方向位置處，將加速度振動傳感器吸附上來，然后再與便攜式振動分析儀器相連接。另外，維修人員可以將加工中心電主軸轉(zhuǎn)動的速度設(shè)置為每分鐘兩千轉(zhuǎn)，然后用便攜式振動分析儀器來采集電主軸的振動數(shù)據(jù)，當(dāng)數(shù)據(jù)被采集完畢之后，該儀器就可以對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行頻譜分析。在頻譜圖中，維修人員可以了解電主軸軸承振動的最高振幅，當(dāng)其峰值達(dá)到了0.85ge時，便攜式振動分析儀顯示的加速度包絡(luò)的總值就是6.93ge，在這種情況下，加工中心電主軸內(nèi)圈的故障頻率就會與便攜式振動分析儀器中顯示的頻譜圖的峰線相吻合，此時便可以對加工中心電主軸的軸承故障情況進(jìn)行判斷，即其軸承的內(nèi)圈出現(xiàn)了問題。

如果加工中心電主軸使用的軸承型號比較特殊，或者是在軸承庫中沒有找到這種型號，那么維修人員也可以采用人工計算的方式，根據(jù)便攜式振動分析儀器頻譜圖中顯示的該軸承內(nèi)圈的頻率，再結(jié)合軸承的轉(zhuǎn)速，之后就可以按照規(guī)定的公式計算出加工中心電主軸軸承內(nèi)圈產(chǎn)生的故障頻率。以型號為71919CD的加工中心電主軸軸承為例，維修人員通過便攜式振動分析儀器頻譜圖可以確定其內(nèi)圈基頻為f=13.728158 Hz，該電主軸軸承的轉(zhuǎn)速為每分鐘兩千轉(zhuǎn)，表示為：v=2000 r/min，然后在規(guī)定的公式下進(jìn)行計算，即f=fi×2000/60=457.61 Hz。計算之后，維修人員可以將得出的結(jié)果與便攜式振動分析儀頻譜圖進(jìn)行對比，如果發(fā)現(xiàn)頻譜圖中峰線故障頻率與結(jié)果是剛好吻合的，那么就可以判斷出加工中心電主軸軸承故障的具體情況，即其內(nèi)圈出現(xiàn)了問題。

如果加工中心電主軸出現(xiàn)了加工超差的現(xiàn)象，并且從便攜式振動分析儀頻譜圖中發(fā)現(xiàn)了加速度包絡(luò)總值也比較大的話，就可以判斷加工中心電主軸軸承產(chǎn)生故障的程度和時期，即這種情況下的故障是比較嚴(yán)重的，并且屬于晚期階段的故障。針對晚期階段的加工中心電主軸軸承故障，維修人員需要及時更換電主軸。為了檢驗便攜式振動儀器對故障的預(yù)測性能，維修人員拆開了加工中心電主軸，在檢查之后可以發(fā)現(xiàn)其軸承內(nèi)圈出現(xiàn)了被腐蝕的情況，說明這與便攜式振動分析儀器顯示的結(jié)果是一致的，該儀器具有良好的加工中心電主軸故障預(yù)測性能。

4 結(jié)語

在傳統(tǒng)的檢測方法下，維修人員無法在較短的時間內(nèi)找出加工中心電主軸軸承存在的問題，也無法對這些問題進(jìn)行分析。而采用便攜式振動分析儀就可以及時監(jiān)測軸承運行的狀態(tài)，然后維修人員可以根據(jù)其頻譜圖來判斷發(fā)生故障的位置，分析產(chǎn)生故障的原因，最后就可以實現(xiàn)預(yù)測性維修。在預(yù)測性維修技術(shù)的支持下，加工中心電主軸維修人員在維護該設(shè)備的時候就會更加高效，避免讓軸承出現(xiàn)突然失效的情況而導(dǎo)致工廠的停產(chǎn)，不僅增強了電主軸維護的靈活性，還能夠在工廠的生產(chǎn)與加工過程中提供一種較好的預(yù)測性保障。