電主軸振動信號分析及故障預(yù)測

琚裕強(qiáng) 韋炫丞 鐘宛余

1. 柳州上汽汽車變速器有限公司柳東分公司 廣西 柳州 545005

2. 上汽通用五菱汽車股份有限公司 廣西 柳州 545007

1 引言

電主軸是集電機(jī)、冷卻系統(tǒng)、夾緊系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)一體式的設(shè)備。應(yīng)用常規(guī)（如觀察動作狀態(tài)、聽設(shè)備動行中的異響等）的方法不能有效對電主軸進(jìn)行故障分析、維護(hù)和狀態(tài)監(jiān)控，在結(jié)合常規(guī)方法的基礎(chǔ)上，對電主軸動態(tài)運行過程中產(chǎn)生的振動信號進(jìn)行分析，可以使電主軸的動作狀態(tài)、故障分析信息化，有利于對電主軸故障診斷和維護(hù)[1]。

對電主軸振動信號分析主要采用傅立葉變換頻譜分析法和加速度包速法。傅里葉變換分析方法以從時域和頻域分析信號的組成部分，根據(jù)故障信號的頻率特征，可以準(zhǔn)確判斷主軸故障的根本原因，它基于0-2kHz的較低頻率范圍，能夠監(jiān)測軸承損壞中后期不平衡、不對中、共振問題等，然而，在軸承早期損傷振動信號振動幅度小、持續(xù)時間短、頻率寬，傳統(tǒng)的頻譜分析很難從電主軸振動信號的頻譜中提取到有效的故障初期信號頻率特征。

針對電主軸故障初期信號的特點，采用加速度包絡(luò)檢測技術(shù)[2]，在對振動信號進(jìn)行前期數(shù)字濾波的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步對電主軸故障初期信號進(jìn)行提取，掌握電主軸當(dāng)前的工作狀態(tài)，預(yù)測和降低潛在故障風(fēng)險。

2 電主軸振動信號檢測系統(tǒng)

2.1 電主軸系統(tǒng)

電主軸主要由模擬量傳感器、壓電傳感器、液壓系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、夾緊系統(tǒng)、裝刀單元、冷卻液入口組成，如圖1所示。

圖1 電主軸系統(tǒng)組成示意圖

模擬量傳感器主要是通過傳感器感應(yīng)拉桿距離的變化，實現(xiàn)對刀具在裝刀、卸刀、工件加工過程中夾緊狀態(tài)的監(jiān)控，實時發(fā)送反饋信號給控制系統(tǒng)，對刀具工作狀況進(jìn)行控制。

壓電傳感器主要是在線對主軸動態(tài)動行過程中振動信號的采集，然后通過對振動信號分析，對主軸、機(jī)床的當(dāng)前工作狀態(tài)和故障狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控和評估。

液壓系統(tǒng)主要是通過對液壓缸進(jìn)油量和出油量的控制，推動裝刀單元實現(xiàn)不同刀具在加工過程中的迅速、準(zhǔn)確切換。

冷卻系統(tǒng)主要是通過制冷機(jī)對電機(jī)及主軸旋轉(zhuǎn)單元在主軸高速動轉(zhuǎn)時進(jìn)行冷卻，降低電機(jī)和旋轉(zhuǎn)單元在高速旋轉(zhuǎn)時產(chǎn)生的溫度，達(dá)到對電機(jī)和旋轉(zhuǎn)單元的保護(hù)。冷卻液主要是加工中心在攻絲、鉆空中對刀具的冷卻，同時沖走工件加工過程中產(chǎn)生的廢料以免損壞刀具。

2.2 電主軸振動信號采集

用安裝在其內(nèi)部的專業(yè)測量儀器——壓電傳感器（即應(yīng)變電阻橋）對電主軸振動信號進(jìn)行采集[3]，其輸出信號為級微弱信號，由于振動信號比較微弱，必須對采樣信號進(jìn)行放大，進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換后進(jìn)行數(shù)字濾波[4]，再對濾波信號進(jìn)行包絡(luò)檢測及頻譜分析。現(xiàn)某發(fā)動機(jī)工廠采的數(shù)據(jù)采集器型號為SKF CMXA 70-M-K-SL，振動信號采集系統(tǒng)如圖2所示。

圖2 振動信號采集系統(tǒng)

SKF CMXA 70-M-K-SL數(shù)據(jù)采集器中設(shè)置有4種濾波器，根據(jù)電主軸型號和實際工作情況，選擇運用哪一種濾波器進(jìn)行工作[5]。表1是基于工頻，即基于設(shè)備轉(zhuǎn)速的一個包絡(luò)濾波器選擇標(biāo)準(zhǔn)。從表1中顯示設(shè)備轉(zhuǎn)速范圍和頻率分析范圍。

表1 SKF包絡(luò)設(shè)定參數(shù)表

3 加速度包絡(luò)法基本原理

在軸承損傷的早期，振動的幅值很小，持續(xù)的時間也短，能量都分散在很寬的頻率范圍內(nèi)，常常會被其他信號淹沒[6]。經(jīng)過圖2中的帶通濾波器，濾除高幅度低頻干擾信號，加強(qiáng)高頻段瞬態(tài)畸變微小的振動信號能量，再運用SKF包絡(luò)檢測技術(shù)，將濾出來的時域信號進(jìn)行整流，再濾波，最后將整流濾波后的時域波形進(jìn)行傅里葉變換，轉(zhuǎn)化到低頻段顯示[7]。加速度包絡(luò)法基本原理描述如下。

假設(shè)振動信號通過濾波后，只限高于缺陷頻率50倍以上才能通過，當(dāng)一系列振動信號的倍頻和它自身相乘后，在相乘的過程中，根據(jù)積化和差公式：

可以得到相加、相減的兩部分頻率公式：

假設(shè)

由式（1）得：

由于相加的部分（α+β）已經(jīng)超出了分析的范圍，所以我們只考慮相減部分。由上面的公式（2）推理得：

通過上面一系列倍頻相乘后，得到了1×，2×，…等一系列振動信號頻率的組成部分，將高頻段信號特征部分提取，分析故障原因。

4 試驗結(jié)果分析

4.1 速度包絡(luò)法在電主軸故障預(yù)測中的應(yīng)用

某發(fā)動機(jī)工廠運用的信號處理分析軟件為Machine Analyst 3.0。

電主軸振動信號采集條件：轉(zhuǎn)速統(tǒng)一設(shè)定為5000 RPM，這樣可以進(jìn)行橫向和縱向的對比。所謂橫向?qū)Ρ?，由于電主軸型號一致，內(nèi)部軸承型號也一致，在正常情況下，各電主軸之間的振動值應(yīng)該相差不大，利用這一點，可以便于我們做出好的判斷和預(yù)測。所謂縱向?qū)Ρ龋槍ν慌_電主軸，不同的時刻所采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較。

下面是2008年9月份，對缸蓋一線所有加工中心電主軸進(jìn)行周期檢測振動信號的加速度包絡(luò)值，如表2 所示。生產(chǎn)線OP10-OP40為粗加工工位，OP80-OP110P為半精加工工位，OP140-OP170為精加工工位，從不同工位電主軸振動信號加速度包絡(luò)報警值可以看出OP40A、OP170A兩臺加工中心的電主軸振動信號出現(xiàn)異常，OP40和都超出報警值范圍，需緊急做出故障分析，OP170 Env值比較高，而Vel值沒有超出報警值范圍，所以加強(qiáng)OP170的數(shù)據(jù)采集，繼續(xù)跟蹤。

表2 缸蓋一線電主軸振動信號加速度包絡(luò)值

CHM1OP40A的振動總值：加速度包絡(luò)值 41.038gE ；速度總值14.033mm/s

圖3 加速度包絡(luò)頻域譜圖

圖4 加速度包絡(luò)時域圖

從圖3中，頻譜開始出現(xiàn)周期性的峰值，而且總值高達(dá)41.038gE，而且在圖4的時域信號中，可以看到一束一束的沖擊信號。

圖5 速度時域圖

圖6 速度頻域圖

對于出現(xiàn)早期故障的電主軸，是否需要更換，還要看其速度譜線的鋒值，才能判斷是否需要更換。由圖5中可以看到，主軸的沖擊信號更加明顯，同時，在現(xiàn)場檢測的時候還可以聽到輕微的噪聲。在速度頻譜中（如圖6所示），頻譜中出現(xiàn)周期性的峰值，速度總值達(dá)14.033mm/s。

從圖7中可以明顯看到軸承7194內(nèi)圈存在明顯的損傷，由于振動值較上次有所減小，可見軸承原有的缺陷已被磨合，表面平整度好于損傷開始，損傷已進(jìn)入第三階段，即穩(wěn)定磨損期。

圖7 加速度頻域圖

圖8 速度頻域圖

從圖8可以看到，過大的振動值部分可能來源于基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的松動或是不平衡。綜上所述，建議在測量報告有較明顯波動時有必要在大修時間對電主軸更換。

4.2 結(jié)論

根據(jù)早期故障振動信號的特點，運用加速度包絡(luò)技術(shù)對原始采集信號中故障信號部分進(jìn)行頻譜提取增強(qiáng)，去除低頻高強(qiáng)度信號，得到利于觀察分析的小幅度故障振動信號，此方法有效地提高了電主軸故障預(yù)測和診斷的準(zhǔn)確性。經(jīng)過對發(fā)動機(jī)工廠200根電主軸多年的故障初期的預(yù)測和診斷，使其在故障惡化之前及時采取維護(hù)措施，降低了停線率和維修成本，通過實踐驗證了該方法的有效性和可靠性。