琚裕強 韋炫丞 鐘宛余

摘 要 為了在設(shè)備維護(hù)中能更準(zhǔn)確的預(yù)測和診斷電主軸早期故障，運用加速度包絡(luò)方法，對電主軸在動態(tài)運行過程中產(chǎn)生的初始振動信號進(jìn)行采樣和處理，提取出早期故障信號。通過運用該方法對某發(fā)動機工廠200根電主軸多年的信號分析和維護(hù)實踐，驗證了該方法能有效地提高電主軸故障預(yù)測和診斷的準(zhǔn)確性，降低設(shè)備停線率和維修成本。

關(guān)鍵詞 電主軸;振動信號;加速度包絡(luò)技術(shù);故障預(yù)測

1 引言

電主軸是集電機、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。

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)主要是通過制冷機對電機及主軸旋轉(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?，F(xiàn)某發(fā)動機工廠采的數(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。

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。

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：

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OP170的數(shù)據(jù)采集，繼續(xù)跟蹤。

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。

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，去除低頻高強度信號，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。

參考文獻(xiàn)

[1] 唐英，孫巧.滾動軸承振動信號的小波奇異性故障檢測研究[J].振動工程學(xué)報，2002，15（1） ：165-210.

[2] 王永順.加速度包絡(luò)技術(shù)在狀態(tài)監(jiān)測中的應(yīng)用探討[J].中國設(shè)備工程，2010，（4）：50-51.

[3] 程佩青.數(shù)字信號處理教程[M].北京：清華大學(xué)出版社，2007，2：225-258.

[4] 琚裕強，李忠富，韋文斌.動態(tài)應(yīng)變儀數(shù)字陷波器設(shè)計[J].廣西工學(xué)院學(xué)報，2011，22（2）：81-85.

[5] 孫鞏長.SKF的加速度包絡(luò)技術(shù)應(yīng)用探析[J].設(shè)備管理與維修，2009，（3）：47-49.

[6] 高榮，葉佩青，蔣克榮，等.基于小波奇異性的電主軸振動信號處理[J].吉林大學(xué)學(xué)報（工學(xué)版），2010，40（4）： 142-145.

[7] 沈越泓，高媛媛，魏以民.通信原理[M].北京：機械工業(yè)出版社，2003，10：111-113.

作者簡介

琚裕強，中級工程師，研究方向：過程控制與自動化裝置。