机械主轴轴承振动监测与故障诊断研究

在数控机床加工中，主轴是机床的紧张部件之一，它的机能直接决议了加工工件的外面质量，一旦主轴呈现故障，将造成机床永劫间停机，为企业带来伟大的经济损失。此中主轴的许多机器故障是因为机床症结部件磨损、振动、超负荷加工等加工状况或外部情况转变引起的渐变性故障，是以对主轴进行预防性维修，尤其是监测其振动环境是很有需要的。万海波等研制了基于 HHT 时频阐发办法的机床主轴振动阐发体系进行振动监测。籍永建等应用 EMD 的办法对主轴振动旌旗灯号进行阐发。汪顺遂等应用 Lab VIEW 对主轴进行振动丈量与阐发。今朝许多学者对数控主轴的状况监测技术没有很好地利用在现实临盆情况中，对现实产生的突发性故障也缺少现实案例阐发。

为了保障数控机床的正常使用，对潜在故障进行预防性维修，本文针对某国外龙门机床的机器主轴睁开振动监测与阐发研讨。基于高效的振动阐发装配对该机器主轴运行进程中振动旌旗灯号进行采集阐发，与厂家容许的振动值对照发现非常地位；经由过程计算症结轴承的特性频率，诊断获得故障部件；对照汗青故障信息，进一步肯定故障部位，指示维修职员提前订购备件，订定相关维修方案。

1、 振动阐发与诊断

1.1 状况监测

装备状况监测技术是指机械在运行环境下，相识和肯定其状况的进程。工业范畴利用的主要状况监测技术有振动阐发与诊断、润滑油阐发、红外热成像技术、超声波检测（资料厚度/缺陷检测）和电机状况监测与电流特性阐发等，此中振动阐发是最常用的状况监测技术。

在工程利用中，为了真实精确反映机器传动部件的振动状况，要注意选择监测点的地位和采集办法，传感器一样平常安装在主轴端面邻近的轴承地位有较好的监测后果。另外必需注意对振动旌旗灯号进行多次采集和阐发，进行横向综合比拟，也必要经由过程将装备的振动频谱与汗青数据进行纵向比拟，为预防性维修提供靠得住的理论指示和故障信息。

1.2 轴承故障诊断

轴承是年夜多半机器布局中最紧张的部件之一，轴承的事情状况与扭转机器的运行靠得住性互相关注。然而在数控加工的繁杂情况中，主轴体系内的轴承在使用中存在过早失效的征象。主要缘故原由有超负荷运转、主轴润滑不敷、误操作带来的隐形毁伤、密封后果差或共同过紧等，这些因素都邑发生特定类型的轴承故障，导致轴承振动加剧造成劫难性破坏。

在临盆状况监测中发现，轴承在其使用进程中表示出很强的纪律性，而且反复性强。轴承各部件都有其特殊的故障频率，若轴承产生故障，它的幅值增长，并有谐波，谐波双方发生边频。轴承有 4 个部件构成：滚动体、坚持架、外环和内环。对轴承故障机理研讨注解，当轴承毁伤时，将呈现 4 种故障频率之一或多少故障频率同时呈现。轴承的故障频率可用下列公式计算：

2 、案例阐发

2.1 机器主轴状态

数控机床中的机器主轴有转速低、扭矩年夜的特色，合适加工高强度、高硬度材质。本次以某国外高端龙门机床的机器主轴为研讨工具进行振动阐发。该主轴在一年前因为主轴端面的轴承磨损严重造成了滚动体脱落，期待备用轴承造成歇工数月严重影响了零件的交付，在维修调换后，为了避免突发性装备故障造成的经济损失，装备职员开端对该主轴按期进行振动检测，监控主轴运行状况，重点存眷主轴调换后的轴承使用状况。

2.2 振动监测

主轴振动阐发采纳了一款 Smart Balancer 的仪器进行振动测试，它是一个便利高效的检测仪器，搭配了一个三相加快度传感器，可以快速对振动旌旗灯号进行采集阐发而不消拆卸机床主轴。在每次进行振动监测时，必要保证主轴转动参数、装置刀具及传感器地位同等，丈量数据才可以真实反映故障的变化趋向。详细参数信息如表 1，传感器地位如图 1 所示。

表1 振动监测参数信息

图1 机器主轴及传感器地位

2.3 轴承故障频率计算

该主轴年夜修后调换的轴承参数如表 2 所示。

表2 轴承参数信息

根据上述技法术据，分离计算轴承各部件在轴承内圈转速为 1500r/min 时的故障频率：

上面计算的各特性频率都是从理论上推导出来的，而现实轴承的几何尺寸会有偏差，加上轴承安装后的变形，使现实的频率与计算所得的频率会有差别，以是在频谱图上探求各特性频率时，需在计算的频率值上下找其近似的值来做断定。

2.4 故障阐发

颠末两个多月的连续性监测，发现该主轴的振动速率均方根值 RMS ≥ 0.2mm/s，跨越了 SKF 轴承制作商建议的平安振动限值 0.2mm/s。针对此非常征象对主轴进行振动频谱阐发，进一步发现故障缘故原由，本文拔取了近两个月的丈量成果作故障阐发，8 次频谱图散布如图 2 所示。

图2 故障频谱图

从频谱图的谱线散布来看，在 0~1000Hz 轴承规模内，轴承内圈故障频率 383.9Hz（实测为 388Hz，与计算值异常靠近）的幅值异常显著，并且每次丈量幅值都邑较前一次增年夜（表 3），两个多月的光阴内从 0.18mm/s（2次方）增年夜到 0.27mm/s（2次方），联合之前该主轴轴承故障进行综合斟酌，由此可以断定该轴承的内圈已经呈现了缺陷。同时内圈故障频率两侧均有显著边频带，阐明该内圈故障在这段光阴内连续扩大导致了幅值的增年夜。

表3 8次故障频率幅值记载

另外从频谱图中可以看到，轴承外圈故障频率316.1Hz 的 2X 幅值（实测值为 656Hz）也较为显著，揣摸出轴承的外圈受内圈故障影响呈现缺陷的可能性比拟年夜。在 800~900Hz 之间呈现的高频持续谱，噪声底线显著举高，阐发以为是内圈故障正在进一步恶化，造成了主轴转动时会呈现松动摩擦的征象。

经由过程上述阐发可以获得该机器主轴的轴承已经呈现了故障隐患，必要在下次检修中支配调换轴承。颠末和维修职员确认，前次轴承故障便是内圈严重破损导致滚动体散出家出异响才进入维修，这次间隔调换轴承后光阴不跨越半年，轴承内圈已经呈现了缺陷，揣摸可能是主轴内部传动布局存在缺陷或者由轴承安装和润滑等因素导致的。为避免缺陷扩展导致停机故障，已经提交备件采购流程，同时采取机床限定性使用和定期振动监测等步伐进行主轴状况跟踪。

3 、结论

经由过程对数控机床的主轴进行振动监测与故障阐发，可以断定出主轴轴承的运行环境、呈现缺陷的部件及缺陷的严重水平。在现实利用中，操作职员可以经由过程便携式仪器对主轴状况进行快速反省，诊断上可采取振动速率有用值联合频谱阐发的办法进行综合诊断，为装备维修和备件采购提供靠得住的理论指示，低落因轴承故障造成主轴事故扩展的可能性。对主轴诊断的技术还可以采取监测噪声、温度和润滑等多种妙技联合，可以进步主轴故障辨认与诊断的精确率。

（材料起源：数控机床市场）

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