振动监测在磨齿机上的应用

张波

【摘要】随着机床使用的寿命的增加，在磨齿工序，由于主轴问题导致的质量事故频次在逐年增加，每次都是事后维修，对产品质量已经造成的损失无法弥补。针对这一问题，我们使用了离线式振动检测仪，定期对机床的主轴情况进行检测，分析和评估。针对非正常设备采取预防性维修，从而保证产品加工质量。

【关键词】成形磨齿机;机床;精度，振动检测

一、引言

目前我公司引进的成形磨齿机主轴均采用直接电主轴形式。随着设备使用寿命的增加，在磨齿工序，由于主轴问题导致的质量事故频次在逐年增加，每次都是事后维修，对产品质量已经造成的损失无法弥补。针对这一问题，我们通过振动检测设备定期对机床主轴进行检测，对特征频率进行分析评估，保证主轴运行在正常状态。对于非正常状态的设备和生产部门协调停机时间，预防性的对机床主轴进行维修，保证产品加工质量。

二、振动监测的原理

由于成形磨齿机的主轴都是使用电主轴的结构，该结构相比传统主轴结构，省去了如皮带，变速箱等很多中间传动环节。针对这种结构，我们把研究的重点放在了轴承上。

振动监测主要包含振动信号的获取，分析，评估三个部分。

1、 振动信号的获取

振动测量参数包括：位移、速度、加速度三种。其中位移是针对低频振动信号（0-100Hz），加速度是针对高频信号（>1000Hz），速度则位于二者之间（10-1000Hz）。轴承由于制造，装配等因素可以产生20-20kHz的振动信号，我们需要分析的重点是在轴承的内外圈，保持架和滚子的缺陷频率上。由于磨齿机的转速一般在1000-3000r/min之间，其缺陷频率一般在10-2000Hz之间。所以我们采用了速度信号作为采集对象。

根据ISO2373标准推荐，测点位置的选取应当遵循传递路径最短，测点刚度最大两条原则。针对电主轴的机械结构，我们把测点选择在电机外壳的前端和后端。

2、 振动信号分析

振动诊断主要包含波形图、频谱图、轴心轨迹图，极坐标图、轴心位置图、波特图、奈奎斯特图等。其中频谱图是目前使用最普遍的图形。主要是因为每一种振动故障在频率上和频率转速的关系上都有特征，频谱图可以明显的分析这种特征。一台装有轴承的机器特征缺陷频率至少包含5种，分别为轴的转速（S），外圈滚珠通过频率（BPFO），内圈滚珠通过频率（BPFI），保持架通过频率（FTF），滚珠自转频率（BSF）。

●轴承外圈通过频率（BPFO）

当轴承的外圈存在故障时，在频谱图上可以看见轴承外圈通过频率和高次谐波。如果是内圈固定，外圈转动的安装方式，其通过频率周围可能会出现转速频率S的边频。其计算公式如下：

BPFO=Nb/2*S（1-（Bd/Pd）*cosA）

Nb： 轴承滚子数 ;S：轴转速 ;Bd：滚子直径 ;Pd： 滚子分布圆直径 ;A： 接触角（度）

●轴承内圈通过频率（BPFI）

轴承内圈存在故障时，在频谱图上可以看见轴承内圈的通过频率BPFI和高次谐波。如果是外圈固定，内圈转动的安装方式，其通过频率周围可能会出现其转速频率S的边频

BPFI=Nb/2*S（1+（Bd/Pd）*cosA）

●轴承滚动体通过特征频率（BSF）

轴承滚动体存在故障时，在频谱图上可以看见滚动体通过频率和高次谐波，还有会出现转速频率S的边频。另外还有BSF的半谐波（由于滚动体对外圈的碰撞强于内圈导致）

BSF=（Pd/2Bd）*S*（1-（Bd/Pd）*CosA）2

●轴承保持架通过频频率 （FTF）

轴承保持架存在故障时，在频谱图上可以看见轴承保持架通过频率和其高次谐波

FTF=S/2*（1-（Bd/Pd）*CosA

3、 振動信号的评估

振动烈度（振动速度有效值 Vrms）直接反映振动物体的振动强度，是最简单、最常用的判断标准。常用的国际判断标准有ISO2372 ，ISO3945。

针对机床主轴，法国电气制造联盟（NEMA）有相关的振动检测标准：

三、案例分析

德国某台成形磨齿机在检测发现振动值超差，频谱图如下图1，其主轴使用B71918-E-T-P4S型号轴承，根据轴承手册得到该型号轴承参数如下：

轴承外径：125mm ，内径：90mm ，滚动体数量：25 ，滚珠直径：11mm，接触角：25度，检测主轴转速为2000r/min

根据上述公式计算：

BPFI= BPFI=Nb/2*S（1+（Bd/Pd）*cosA）=25/2x2000[1+（11/107.5）x0.9]

= 454.16Hz

2xBPFI=908.32Hz  ，3xBPFI=1362.48Hz

由于轴承滑动或者主轴转速不恒定等因素，可能会导致实际故障频率和计算故障频率存在一点偏差，经上述公式计算，该故障频率为典型的轴承内圈损坏特征频率，且由于是外圈固定的安装方式，在内圈特诊频率周围明显存在转速S的边频。经拆卸检查验证了确实为轴承内圈损坏，如下图。

后对该设备的主轴轴承进行更换，振动值在0.5mm/s以下，可以满足使用要求。

参考文献：

[1] SKF 轴承故障诊断

[2]  实用机械振动分析与维护  Paresh Girdhar