振动监测对电主轴故障诊断应用

振动监测对电主轴故障诊断应用
摘要：随着工业制造4.0的推广及制造业的升级，机械设备也呈现出复杂与多样性，给设备可靠信也带来新的挑战。

在以往的维修行业里，维护设备的方式停留在事后维修，给企业及个人带来了严重的经济损失及人生安全等问题。

上世纪60年代随着设机械设备状态监测诊断技术推广，有效提高了设备的可靠性和使用周期。

而电主轴作为行业里要求最高的旋转部件，对加工中心的加工精度和稳定性有着极大影响，作为机床核心部件之一轴承，它直接决定电主轴的性能，积极开展对电主轴振动监测诊断技术，能有效预测出轴承潜在缺陷，延长电主轴使用周期，起到节约成本的作用。

下面本文将以ENSHU机床60S电主轴旋分配器轴承为研究对象，通过发现轴承早期缺陷，验证出振动监测对电主轴轴承诊断的有效性。

关键词：电主轴振动分析 SPM 加速度包络频谱分析
1.
项目简介：
本文中提到的ENSHU60S电主轴的应用是在上汽通用汽车有限公司武汉分公司的发动机箱体加工线上，该生产线63台ENSHU加工设备组成，负责发动机缸盖、缸体从毛坯到成品的整个高精度加工过程。

1.
电主轴振动监测信息（以SGE3期CHOP20D旋转分配器轴承为研究对象）
2.1 了解加工状况收集电主轴轴承型号 , 60S主轴后端旋转分配器轴承型号为7005C，所有主轴选择同一转速2000RPM、同一把刀，刀具务必较小，防止刀具过大产生的主体不平衡，及以后对主轴数据横向、纵向对比带来的影响。

横向对比：即电主轴的型号、内部轴承、加工工艺完全一样，在正常工作情况下，各电主轴振动值应该非常接近。

纵向对比：即同一电主轴不同时间，相同工况下段采集数据进行对比（冷机
和热机数据相差较大），观察趋势。

注：横向对比和纵向对比目前主要运用在电主轴前端轴承判断，通过机器数
据的反馈可以及时发现改善电主轴轴承磨损、润滑失效、主体或刀具不平衡、漏
水等潜在隐患。

2.2 测量技术的选择
传统频谱分析方法：包括频谱分析在内，是基于在0— 2 kHz较低的频率范围，这方法通常用来监测机械四大问题：不平衡、不对中、共振、轴承，但针
对轴承监测发现时多数为晚期状态，损坏严重，已影响设备正常使用。

SPM(Shock Pulse Method)冲击脉冲法：两个物体碰撞在一起会产一定能量
的振动，这种振动不是连续状态而是以压力波的形式传递并呈现脉冲状态。

由于
轴承冲击信号能量低，尤其轴承前期阶段故障信号，常常会被淹没在背景噪声中，普通振动传感器提取冲击脉冲信号的无法完成的，采用专门冲击脉冲传感器，传
感器频率设定在32KHZ，通过机械与电子的协调作用将获得的轴承信号放大5-7倍，针对放大信号进行分析即可得到脉冲信号周期及相应幅值，确定振源头来判
断轴承前期故障。

冲击脉冲值与轴承的关系
滚动轴承的滚动体与滚道表面并不是完全光滑的，在轴承转动时“粗糙”
的表面使两者润滑油产生波动，并对外滚道产生能量较小频率较高的冲击，当滚
动体滚过某一缺陷位置时候会产生一个相对较大的能量，但频率较低的能量，这
种冲击会随着表面缺陷放大而变大，将信号分析加以采集，进过分析可以确定滚
动轴承的运行状态。

冲击脉冲评价轴承的3种状态
滚动轴承与润滑状态良好时候，运转中的冲击脉冲值都会很低；润滑不良而
轴承没有损伤的时候，冲击脉冲值会很高；润滑正常而滚动体发生损伤时候，会
出现周期性峰值，良好状态下HDm(总冲击能量)/HDc（初始冲击能量）均很低，轴承损伤HDm值升高，HDn（标准冲击能量）=HDm-HDc
加速度包络法：加速度包络技术加强了高频段瞬态畸变小信号的能量，将加速度包络检测技术与传统的频谱分析技术相结合，就能在轴承严重损坏之前，及时监测到轴承存在的早期缺陷及润滑问题，从而可以延长机器的故障预警期并防止计划外停机的发生。

我们通过研究电主轴发出来的噪音值与加速度包络值之间表现，从采集频域波形可以很明显的捕捉到轴承的故障特征信号，给振动分析带来的极大方便。

0≤HDn≤20dB
正常状态
20dB≤HDn≤35dB
初期损伤
35dB≤HDn≤60dB
明显损伤
2.3 数据采集周期
数据采集的时间定为3个月一次，每个月生成2个路径，每个路径分别对
应缸体，缸盖线前端主轴轴承、后端分配器轴承，对存在隐患的主轴缩短监测周
期或者进行电主轴轴承的更换。

2.4测试仪器及软件
数据采集器：SPM翡翠Leonova
分析系统：翡翠Leonova 设备状态监测分析系统
传感器类型：冲击脉冲和振动传感器
三：电主轴状态分析
3.1 SPM冲击脉冲传感器采集主轴旋转分配器轴承信号
轴承型号为7005C 内径25mm 转速2000RPM 外圈故障频率=r/60 * 1/2 *
n(1-d/D *cosα)、内圈故障频率=r/60 * 1/2 * n(1+d/D *cosα)、滚动体单故
障频率=r/60 * 1/2 * D/d *[1-(d/D)^2 * cos^2(α)]、保持架外圈故障频率
=r/60 * 1/2 * (1-d/D *cosα)（n：滚珠个数；d:滚动体直径；D:轴承节径；α：滚动体接触角（contact angle）
通过以上公式计算出轴承外圈故障频率=180HZ 、滚动体故障特征频率
=184HZ、SPM振动监测结果为：HDm值=36 HDc值=13 ；差值HDn=23 通过图（1）频谱可见轴承故障特征频率为180HZ，表现为规则冲击信号并以180HZ、360HZ、720HZ… 成倍数增长，符合轴承外圈初期故障频率
图1
图（2）为正常的旋转分配器轴承频域图，除1倍频外，无任何冲击信号
图2
SPM冲击脉冲技术解决了分配器轴承外圈、润滑等潜在隐患，但通过实际情况总结发现，SPM振动监测实际对分配器轴承滚动体缺陷效果较差，不能完全解决ENSHU60S旋转分配器轴承滚动体均匀磨损带来的隐患，因此需结合加速度包络法同时进行诊断
3.2 加速度包络振动传感器采集主轴旋转分配器轴承信号
采集数据加速度包络5000HZ RMS(有效值）=1.07eu,图（3）频域波形表现出与轴承滚动体故障特征频率183.75HZ的周期性信号，与理论计算值相符，符合轴承滚动体故障特征频率征兆
图3
加速度包络对轴承外圈故障诊断同样有效，，采集数据加速度包络5000HZ RMS（有效值）=0.33eu，图（4）频域波形分析，表现出与轴承外圈故障特征频率180HZ相符的特性
图4
更换轴承后，图（5）加速度包络5000HZ RMS（有效值）=0.04eu ,除与转频相关频率外，无任何明显周期冲击信号
图5
四、结论
通过以上分析及描述，可以得出CHOP20D冲击脉冲监测振动值较大，加速度包络频谱存在明显冲击信号，因此可以判断轴承存在早期故障缺陷，建议在停机时可以进行对轴承更换检查。

加速度包络法虽然对旋转分配器轴承滚动体有着明显早期故障监测的优势，但是监测值不好作为评判轴承损坏程度的指标，因此采用与冲击脉冲法相结合的方法及其他指标如HDm、HDc、峭度等来综合判断轴承状态。

另外如果考虑到成本等多方便的原因，针对大型轴承早期故障跟换时间长的主轴，可以延迟更换，但为防止状态突然恶化，务必提高轴承的监测频次，及时了解轴承恶化状态。