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【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
【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