胡宏明

（南京高速齒輪制造有限公司，南京 211122）

中國(guó)正從制造業(yè)大國(guó)向制造業(yè)強(qiáng)國(guó)邁進(jìn)，其中出色的自研設(shè)計(jì)能力和高精度加工水平是由大變強(qiáng)的關(guān)鍵。工業(yè)高精度加工由高精度機(jī)床保證。有效的預(yù)防性預(yù)測(cè)性維護(hù)策略是保證產(chǎn)品加工質(zhì)量的關(guān)鍵。南高齒是全世界風(fēng)電主齒輪箱市場(chǎng)占有率最大的領(lǐng)頭企業(yè)，本文擬分享實(shí)際工作中如何對(duì)進(jìn)口數(shù)控成形磨齒機(jī)磨頭電機(jī)軸承失效進(jìn)行分析和預(yù)測(cè)。

1 檢測(cè)方法選擇

數(shù)控成形磨齒機(jī)是齒輪加工的精密機(jī)床。磨頭伺服電機(jī)的旋轉(zhuǎn)精度很高，是決定齒輪磨削品質(zhì)的重要部件之一。磨頭電機(jī)選用的是高精度軸承，在軸承完全失效之前，如出現(xiàn)滾子點(diǎn)蝕、滾道磨損等都會(huì)引起電機(jī)旋轉(zhuǎn)軸的軸向跳動(dòng)和徑向跳動(dòng)變化，從而出現(xiàn)異常振動(dòng)。這種振動(dòng)會(huì)嚴(yán)重影響磨齒質(zhì)量，需要進(jìn)行預(yù)測(cè)。

振動(dòng)信號(hào)作為機(jī)械設(shè)備的重要?jiǎng)恿W(xué)特征，可有效反映除系統(tǒng)或部件因機(jī)械磨損、疲勞、老化等出現(xiàn)的開裂和故障[1-2]。對(duì)于磨頭電機(jī)軸承失效分析預(yù)測(cè)最有效的技術(shù)是振動(dòng)分析技術(shù)，通過振動(dòng)儀采集磨頭振動(dòng)數(shù)據(jù)。振動(dòng)檢測(cè)的參數(shù)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(yīng)當(dāng)根據(jù)診斷對(duì)象振動(dòng)信號(hào)的頻率選擇不同的測(cè)量參數(shù)。針對(duì)高轉(zhuǎn)速的磨頭電機(jī)軸承，主要采用加速度傳感器進(jìn)行檢測(cè)。

2 失效階段性預(yù)判

2.1 軸承的故障特征頻率

機(jī)床伺服電機(jī)滾動(dòng)軸承的固有頻率與轉(zhuǎn)速無關(guān)，頻率一般為500～2 000 Hz，結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 軸承結(jié)構(gòu)示意圖

振動(dòng)是滾動(dòng)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(nèi)圈缺陷頻率（Ball Pass Frequency on Inner race，BPFI）、滾動(dòng)體缺陷頻率（Ball Spin Frequency，BSF）和保持架缺陷頻率（Fundamental Train Frequency，F(xiàn)TF）共4個(gè)特征頻率[3-4]，表達(dá)式依次為：

式中：α為徑向接觸角；Dw為滾動(dòng)體直徑；Dpw為滾動(dòng)軸承平均直徑；Nb為滾動(dòng)體數(shù)量。

2.2 軸承失效階段

根據(jù)已知軸承型號(hào)，按照固有頻率和故障特征頻率的特點(diǎn)和計(jì)算方式獲得軸承振動(dòng)頻率，用于對(duì)比判斷軸承失效狀態(tài)。軸承失效分為初期、發(fā)展期、快速發(fā)展期和末期4個(gè)階段，對(duì)應(yīng)的表象和測(cè)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(cuò)位，振動(dòng)總量增加較小，振動(dòng)加速度傳感器很難檢測(cè)到。此階段可以使用聲發(fā)射傳感器進(jìn)行采集，主要表征為能量值變大。因?yàn)閿?shù)控磨齒機(jī)加工的零件種類很多，不同零件、不同磨削工藝階段磨削時(shí)磨頭電機(jī)功率差異很大，且磨頭電機(jī)位置相對(duì)封閉，所以很難利用聲發(fā)射傳感器進(jìn)行初期失效檢測(cè)。

2.2.2 失效發(fā)展期

劣化由次表面向表面擴(kuò)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(hào)會(huì)激勵(lì)零部件高頻固有頻率發(fā)生共振，導(dǎo)致高頻振動(dòng)變大。此階段可以使用振動(dòng)加速度傳感器結(jié)合包絡(luò)分析觀測(cè)固有頻率段幅值增大。

2.2.3 快速發(fā)展期

損傷點(diǎn)對(duì)接觸面沖擊越來越強(qiáng)。此階段可用振動(dòng)加速度傳感器結(jié)合功率譜觀測(cè)到共振段故障特征頻率越來越多，且在3倍轉(zhuǎn)頻到固有頻率段之間出現(xiàn)倍頻故障特征點(diǎn)。此階段為維護(hù)的關(guān)鍵時(shí)期，一旦發(fā)現(xiàn)設(shè)備進(jìn)入快速發(fā)展期，應(yīng)協(xié)調(diào)生產(chǎn)進(jìn)行預(yù)防性停機(jī)維護(hù)。

2.2.4 失效末期

損傷點(diǎn)擴(kuò)大，噪聲和溫升明顯增大。此階段可用振動(dòng)加速度傳感器結(jié)合功率譜觀測(cè)到明顯的故障特征頻率和其邊帶頻率。此階段會(huì)導(dǎo)致設(shè)備或工件損壞，應(yīng)極力避免進(jìn)入此階段工作。

對(duì)于磨齒機(jī)的磨頭電機(jī)軸承失效分析，及時(shí)檢測(cè)到軸承失效發(fā)展期，做好維修準(zhǔn)備，安排在快速發(fā)展期到之前進(jìn)行維修。既做到及時(shí)維修，杜絕磨削質(zhì)量損失，又避免突然故障影響生產(chǎn)計(jì)劃，降低維修成本，不出現(xiàn)過維護(hù)情況。

3 失效位置預(yù)判

3.1 軸承外圈缺陷頻譜特點(diǎn)

如圖2所示，軸承外圈缺陷會(huì)導(dǎo)致解調(diào)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(zhuǎn)，則會(huì)出現(xiàn)其速度頻率的側(cè)頻率。

圖2 軸承外圈缺陷及其解調(diào)譜

3.2 軸承內(nèi)圈缺陷頻譜特點(diǎn)

如圖3所示，軸承內(nèi)圈會(huì)導(dǎo)致解調(diào)頻譜中存在明顯可見的軸承內(nèi)圈缺陷頻率（BPFI）及其高次諧波。若內(nèi)圈軸承旋轉(zhuǎn)，則可能會(huì)出現(xiàn)其速度頻率的側(cè)頻。

圖3 軸承內(nèi)圈缺陷及其解調(diào)譜

當(dāng)內(nèi)環(huán)失效時(shí)，如果軸承位于加載區(qū)域，沖擊會(huì)更強(qiáng)烈，導(dǎo)致更高的振幅。當(dāng)內(nèi)圈故障位置不在加載區(qū)域時(shí)，振幅會(huì)迅速減小，并在軸承頂部達(dá)到振幅的最小值。在這種情況下，內(nèi)環(huán)的故障頻率受旋轉(zhuǎn)頻率的調(diào)制，且在解調(diào)頻譜中可以發(fā)現(xiàn)1×側(cè)頻率的出現(xiàn)。

3.3 軸承滾動(dòng)體缺陷頻率特點(diǎn)

如圖4所示，若軸承滾動(dòng)體存在缺陷，在解調(diào)頻譜中可以發(fā)現(xiàn)明顯可見的滾動(dòng)體缺陷頻率（BSF）及其高次諧波。此外，解調(diào)譜上BSF的半諧波是由于滾動(dòng)體對(duì)外圈的碰撞大于內(nèi)圈的碰撞所導(dǎo)致的。

當(dāng)滾珠在載荷區(qū)產(chǎn)生的振動(dòng)沖擊大于非載荷區(qū)的振動(dòng)沖擊時(shí)，滾珠故障同樣會(huì)導(dǎo)致調(diào)制的產(chǎn)生。越遠(yuǎn)離載荷區(qū)，振動(dòng)幅度越大。滾珠沿軸承以保持架頻率FT滾動(dòng)。該頻率為0.4×～1×。

3.4 軸承保持架缺陷頻譜特點(diǎn)

如圖5所示，若軸承保持架故障，則在解調(diào)頻譜上發(fā)現(xiàn)軸承保持架缺陷頻率（FIF）及其高次諧波。此外，軸承潤(rùn)滑不良也會(huì)導(dǎo)致軸承保持架缺陷頻率的出現(xiàn)。

4 維修案例分享

4.1 磨齒機(jī)更換磨頭電機(jī)軸承（故障分析維修）

齒圈在試驗(yàn)加載后，經(jīng)磁粉探傷發(fā)現(xiàn)加載振紋。從該齒圈測(cè)量報(bào)告結(jié)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(yàn)后，出現(xiàn)加載振紋，如圖6所示。反查該齒圈的加工磨齒機(jī)，對(duì)磨頭電機(jī)軸承進(jìn)行振動(dòng)分析，根據(jù)內(nèi)圈頻譜圖判定軸承失效，如圖7所示。經(jīng)解體電機(jī)，檢查確認(rèn)軸承內(nèi)圈表面點(diǎn)蝕、剝落嚴(yán)重，如圖8所示。

圖4 軸承滾動(dòng)體缺陷及其解調(diào)譜

圖5 軸承保持架缺陷及其解調(diào)譜

圖6 加載后齒面紋路

圖7 內(nèi)圈損壞缺陷頻譜圖

圖8 軸承內(nèi)圈損壞情況

圖9 維修前頻譜圖

4.2 磨齒機(jī)更換磨頭電機(jī)軸承（預(yù)測(cè)性維修）

在對(duì)某臺(tái)磨齒機(jī)磨頭電機(jī)軸承的檢測(cè)過程中，發(fā)現(xiàn)其特征頻譜圖如圖9所示。分析認(rèn)為該磨頭電機(jī)軸承已出現(xiàn)失效，需要維修。將電機(jī)拆開后，發(fā)現(xiàn)軸承內(nèi)圈表面已經(jīng)有剝落（如圖10所示），外圈磨損出現(xiàn)松動(dòng)（如圖11所示），檢查結(jié)果和預(yù)判一致。維修后的頻譜圖，如圖12所示。

圖10 軸承內(nèi)圈剝落

圖11 軸承外圈磨損松動(dòng)

圖12 維修后頻譜圖

5 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)磨齒機(jī)磨頭電機(jī)軸承易失效的問題，通過理論分析，應(yīng)用振動(dòng)分析方法，提出了磨齒機(jī)磨頭電機(jī)軸承失效分析與預(yù)測(cè)方法，并將該方法應(yīng)用于實(shí)踐案例，能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)磨頭電機(jī)軸承失效趨勢(shì)，安排維修，避免了非計(jì)劃停機(jī)，有助于保證磨齒質(zhì)量，也有利于保障產(chǎn)品的按時(shí)交付。