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數(shù)控機(jī)床上滾動(dòng)軸承的特點(diǎn)與故障分析

2009-11-04

　　 來(lái)源：《硅谷》 作者：錢　俠
　　摘要：數(shù)控機(jī)床是集機(jī)、電、液于一身的機(jī)電設(shè)備，具有技術(shù)密集和知識(shí)密集的特點(diǎn)。一旦發(fā)生故障，診斷的難度大。尤其是對(duì)機(jī)械部件的檢測(cè)與診斷更為困難，誤診率較高。本文主要研究數(shù)控機(jī)床上滾動(dòng)軸承的特點(diǎn)與故障檢測(cè)。
　　關(guān)鍵詞：數(shù)控機(jī)床；滾動(dòng)軸承；故障
　　一、數(shù)控機(jī)床滾動(dòng)軸承的特點(diǎn)與故障
　　在數(shù)控機(jī)床上主軸軸承常用滾動(dòng)軸承和滑動(dòng)軸承。滾動(dòng)軸承摩擦阻力小，可以預(yù)緊，潤(rùn)滑維護(hù)簡(jiǎn)單，能在一定轉(zhuǎn)速范圍和載荷變動(dòng)范圍下穩(wěn)定的運(yùn)動(dòng)。數(shù)控機(jī)床Z常用的滑動(dòng)軸承是靜壓滑動(dòng)軸承。靜壓滑動(dòng)軸承的油膜壓強(qiáng)是由液壓缸從外界供給的，與主軸的轉(zhuǎn)速無(wú)關(guān)。它的剛度大，回轉(zhuǎn)精度高。但靜壓軸承需要一套液壓裝置，成本較高，一般用于重型或高精度數(shù)控機(jī)床。滾動(dòng)軸承由專業(yè)化工廠生產(chǎn)，選購(gòu)維修方便。數(shù)控主軸組件在可能的條件下，盡量使用滾動(dòng)軸承。特別是大多數(shù)立式主軸和主軸裝在套簡(jiǎn)內(nèi)能夠作軸向移動(dòng)的主軸，用滾動(dòng)軸承可以用潤(rùn)滑脂潤(rùn)滑避免漏油。在數(shù)控機(jī)床上使用的滾動(dòng)軸承主要有：球軸承，滾珠軸承，圓錐滾子軸承三大類。
　　滾動(dòng)軸承的損傷和破壞形式主要有：磨損、疲勞、斷裂、腐蝕、壓痕和膠合?？蓪⑦@六種失效形式歸類成三種類型的故障：表面皺裂、表面剝落和軸承燒損。
　　1　表面皺裂是由于軸承使用時(shí)間較長(zhǎng)，磨損后滾動(dòng)面全周慢慢劣化的異常形態(tài)。此時(shí)軸承的振動(dòng)與正常軸承振動(dòng)具有相同的特點(diǎn)。區(qū)別是此時(shí)振動(dòng)幅度變大了。
　　2　表面剝落是由疲勞、裂紋、壓痕、膠合等失效形式造成滾動(dòng)面的異常形態(tài)。它們所引起的振動(dòng)為沖擊振動(dòng)，振動(dòng)信號(hào)中含有軸承的傳輸振動(dòng)和軸承構(gòu)件的固有振動(dòng)?？梢酝ㄟ^(guò)查找這些固有振動(dòng)中是否出現(xiàn)某一構(gòu)件運(yùn)行特征頻率來(lái)判斷軸承的故障。
　　3　燒損是由于軸承潤(rùn)滑狀態(tài)惡化等原因造成的。在到達(dá)燒傷程度的過(guò)程中，軸承的振動(dòng)值急速增大。潤(rùn)滑不良，載荷過(guò)大，沖擊載荷，和轉(zhuǎn)速過(guò)高是造成滾動(dòng)軸承故障的主要原因。其中潤(rùn)滑不良是主要原因。數(shù)控機(jī)床由于本身的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和切削工藝特點(diǎn)，其軸承受到的損壞也與普通機(jī)床不太一樣。在數(shù)控機(jī)床中，數(shù)控機(jī)床主軸的轉(zhuǎn)動(dòng)速度和進(jìn)給軸的進(jìn)給速度都是受數(shù)控系統(tǒng)的監(jiān)控，很少出現(xiàn)轉(zhuǎn)速過(guò)高的現(xiàn)象，所以轉(zhuǎn)速過(guò)高不會(huì)成為數(shù)控機(jī)床軸承的故障原因。數(shù)控機(jī)床的軸承一般采用強(qiáng)制潤(rùn)滑和油脂封入潤(rùn)滑，使用強(qiáng)制潤(rùn)滑的軸承不存在潤(rùn)滑不良的問(wèn)題：采用油脂封入式潤(rùn)滑的軸承，才會(huì)因沒(méi)有得到定期的保養(yǎng)而產(chǎn)生潤(rùn)滑不良的問(wèn)題。因此，潤(rùn)滑不良的原因也不是數(shù)控機(jī)床軸承故障Z主要原因。在加工中，數(shù)控機(jī)床可能會(huì)出現(xiàn)由于切削用量過(guò)大而產(chǎn)生的軸承所受載荷過(guò)大的現(xiàn)象。以及刀具以高速切入工件，造成對(duì)主軸軸承的瞬間沖擊載荷的現(xiàn)象也是經(jīng)常發(fā)生的。經(jīng)過(guò)上面的分析，我們可以得到這樣的結(jié)論，載荷過(guò)大，沖擊載荷和潤(rùn)滑不良是造成數(shù)控機(jī)床軸承故障的主要原因。由此而產(chǎn)生的故障主要是表面剝落和燒損。這兩者中發(fā)生概率Z大的就是表面剝落。
　　如前所述，表面剝落的故障判斷可以通過(guò)查找由故障產(chǎn)生的沖擊振動(dòng)中是否出現(xiàn)了某一構(gòu)件運(yùn)行特征頻率。滾動(dòng)軸承有四個(gè)組成構(gòu)件，內(nèi)環(huán)、外環(huán)、滾動(dòng)體及保持架。其故障也都是這四個(gè)構(gòu)件的損傷及破壞引起的，包括：內(nèi)滾道故障，外滾道故障，滾動(dòng)體故障，保持架碰外環(huán)故障和保持架碰內(nèi)環(huán)故障。據(jù)統(tǒng)計(jì)在滾動(dòng)軸承的故障中，90％的故障來(lái)自于外環(huán)和內(nèi)環(huán)故障。
　　二、滾動(dòng)軸承的振動(dòng)按產(chǎn)生機(jī)理
　　滾動(dòng)軸承的振動(dòng)按產(chǎn)生機(jī)理又分為三種類型：
　　1　軸承結(jié)構(gòu)的固有振動(dòng)。包括將內(nèi)環(huán)看作是彈性體而引起的固有振動(dòng)：將外環(huán)看作是剛性體而引起的固有振動(dòng)：將滾動(dòng)體看作剛體而引起的固有振動(dòng)。
　　2　強(qiáng)迫振動(dòng)。由軸承零件制造或裝配誤差而引起的振動(dòng)。如：內(nèi)外環(huán)波紋度、滾動(dòng)體直徑差等制造誤差。
　　3　沖擊振動(dòng)。內(nèi)外環(huán)或滾動(dòng)體表面上存在劃痕、毛刺、銹斑、點(diǎn)蝕、剝落、凹坑等缺陷，或有灰塵，潤(rùn)滑，油污等情況存在時(shí)，會(huì)激勵(lì)起軸承脈沖型振動(dòng)，振動(dòng)的周期與轉(zhuǎn)速成反比。振幅和與缺陷的尺寸大小有關(guān)。滾動(dòng)軸承的振動(dòng)往往是以上各類振動(dòng)共同作用的結(jié)果。其中軸承滾動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的正常振動(dòng)與軸承的彈性特性有關(guān)，而異常振動(dòng)與軸承滾動(dòng)表面的狀況有關(guān)。大量實(shí)驗(yàn)表明，在軸承運(yùn)轉(zhuǎn)正常情況下，軸承零件表面波紋度是引起軸承振動(dòng)的主要因素，而一般較明顯的“異音”是由滾道表面缺陷引起的周期性或非周期性沖擊脈沖產(chǎn)生。這些沖擊振動(dòng)的出現(xiàn)使原來(lái)的平穩(wěn)振動(dòng)信號(hào)變成了非平穩(wěn)振動(dòng)信號(hào)。即軸承的振動(dòng)信號(hào)為非平穩(wěn)振動(dòng)信號(hào)。由內(nèi)外滾道故障引起的振動(dòng)是軸承振動(dòng)的主要因素。
　　三、故障的特征與診斷技術(shù)
　　正常情況下，滾動(dòng)軸承的振動(dòng)時(shí)頻域波形有兩個(gè)特點(diǎn)：無(wú)沖擊和變化慢。當(dāng)滾動(dòng)軸承在存在局部故障時(shí)，軸承的其它零部件會(huì)周期性地撞擊故障部位，產(chǎn)生沖擊力。激勵(lì)軸承座或其它機(jī)械零部件產(chǎn)生振動(dòng)，形成一系列沖擊振動(dòng)。其沖擊脈沖周期為基階故障特征頻率的倒數(shù)。沖擊脈沖寬度在us數(shù)量級(jí)，它將激起系統(tǒng)或結(jié)構(gòu)的高頻響應(yīng)，響應(yīng)水平取決于系統(tǒng)或結(jié)構(gòu)的固有頻率及阻尼的大小。
　　針對(duì)滾動(dòng)軸承的振動(dòng)特點(diǎn)，人們陸續(xù)提出了許多時(shí)域和頻域分析方法。時(shí)域方法主要包括沖擊能量分析法，峰值因子法，沖擊脈沖計(jì)數(shù)法等。這些方法在共振頻帶比較多的情況下，很難區(qū)分到底是軸承哪一部分出現(xiàn)缺陷。頻域分析方法包括功率譜分析，倒譜分析，包絡(luò)解調(diào)分析和雙譜分析等。滾動(dòng)軸承出現(xiàn)故障時(shí)振動(dòng)信號(hào)是非平穩(wěn)信號(hào)，單純用時(shí)域或頻域的方法很難達(dá)到理想的效果。通過(guò)小波分析的方法對(duì)滾動(dòng)軸承振動(dòng)信號(hào)同時(shí)進(jìn)行時(shí)域和頻域的分析，可以達(dá)到很好的效果。另外滾動(dòng)軸承的滾動(dòng)面出現(xiàn)點(diǎn)蝕、疲勞、剝落等表面剝落故障時(shí)，振動(dòng)信號(hào)中包含了相應(yīng)的沖擊成分。但是這些沖擊成分往往被其它沖振動(dòng)噪聲所掩蓋，不能直接從時(shí)域中得到。通過(guò)自適應(yīng)濾波濾除噪聲后，再使用小波分析完成對(duì)故障信號(hào)的故障特征提取是比較好的分析方法。