高速高精度機(jī)械主軸單元設(shè)計(jì)及其軸承故障診斷方法研究

張青芬 王生煦

山東博特精工股份有限公司 山東濟(jì)寧 272071

高速機(jī)械主軸易于配置，并廣泛用于快速和精確的加工情況。目前，國(guó)內(nèi)已經(jīng)對(duì)機(jī)械主軸進(jìn)行了研究，國(guó)內(nèi)機(jī)械主軸生產(chǎn)廠家的發(fā)展水平普遍較低。熱問題是計(jì)劃問題時(shí)需要考慮的事情。當(dāng)前，大多數(shù)主軸剛度僅在主軸設(shè)計(jì)階段才適用于主軸系統(tǒng)。在主軸系統(tǒng)的應(yīng)用階段經(jīng)?？梢钥吹綄?duì)熱問題的分析，并且通常只考慮主軸的發(fā)熱，而忽略皮帶輪正常工作時(shí)的摩擦發(fā)熱。在該文件中，根據(jù)湖北省科學(xué)技術(shù)基礎(chǔ)計(jì)劃的要求設(shè)計(jì)了雙速機(jī)械主軸，并對(duì)該靜態(tài)剛度進(jìn)行了優(yōu)化。根據(jù)設(shè)計(jì)的主軸系統(tǒng)，考慮了主軸輪和皮帶輪的發(fā)熱，并研究了主軸系統(tǒng)的熱性能。評(píng)估了在不同系統(tǒng)條件下主軸軸承和皮帶輪產(chǎn)生熱量的定律，以及主軸系統(tǒng)溫度的變形和設(shè)計(jì)最大速度下的溫升，表明主軸系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是合理的。根據(jù)高速機(jī)械主軸系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，本文提出了主軸系統(tǒng)高振動(dòng)的問題。已經(jīng)提出了H-DTCWT 方法來分析由軸承過熱引起的軸承外圈疲勞損傷而導(dǎo)致的缺陷，并且使用各種診斷算法來評(píng)估和確認(rèn)所提出程序的原理。

1 主軸設(shè)計(jì)的研究狀況

目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)主軸系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和分析主要考慮主軸系統(tǒng)的動(dòng)、靜特性，分析靜剛度和固有頻率，并以主軸軸承之間的跨距為優(yōu)化參數(shù)來優(yōu)化結(jié)構(gòu)。仔細(xì)考慮主軸的設(shè)計(jì)。與電主軸相比，機(jī)械主軸具有更簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)，并廣泛用于精密運(yùn)動(dòng)領(lǐng)域。但是，目前國(guó)內(nèi)主軸系統(tǒng)的制造商很少，并且外觀和精度不能滿足高速和精密加工的要求。因此，快速準(zhǔn)確的機(jī)械主軸的開發(fā)已成為主軸制造中的緊迫問題[1]。

2 主軸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 傳動(dòng)方式選擇

機(jī)械主軸單元通常具有三種傳動(dòng)模式：齒輪式傳動(dòng)，皮帶傳動(dòng)和直線傳動(dòng)。齒輪箱型齒輪箱具有寬的齒輪比和高的傳遞效率，但是其具有高的制造成本并且適合于低速和高扭矩的應(yīng)用。它通常用于常規(guī)車床的慢加工應(yīng)用中。該傳動(dòng)裝置很少用于高速主軸單元。直接連接變速箱必須直接連接電動(dòng)機(jī)和主軸系統(tǒng)。這種轉(zhuǎn)移方法具有高轉(zhuǎn)移功率和低噪聲水平，但是它需要高度對(duì)準(zhǔn)和精確的制造。如果未正確校準(zhǔn)開關(guān)，則主軸溫度將急劇上升，并且主軸將振動(dòng)，導(dǎo)致加工精度差甚至主軸燒毀。皮帶式傳動(dòng)能實(shí)現(xiàn)多種功能，例如通過各種傳動(dòng)比來提高和降低速度以及增加扭矩。同時(shí)，傳動(dòng)帶可以消除發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)并易于組裝。同時(shí)，皮帶驅(qū)動(dòng)器用于將電動(dòng)機(jī)放置在機(jī)械主軸系統(tǒng)中，以節(jié)省實(shí)際安裝中的機(jī)器空間。總之，選擇皮帶傳動(dòng)，然后參考 “機(jī)器設(shè)計(jì)手冊(cè)”，找出哪些傳動(dòng)功率最高的皮帶是窄三角皮帶，三角肋皮帶和同步皮帶。為了獲得全面的運(yùn)行噪音，環(huán)境承受能力，限速等指標(biāo)，請(qǐng)選擇SPZ 窄三角皮帶。

2.2 電機(jī)

基于本文，設(shè)計(jì)了一種快速機(jī)械主軸系統(tǒng)。為了滿足實(shí)際加工中的工廠效率要求，發(fā)動(dòng)機(jī)必須運(yùn)行很長(zhǎng)時(shí)間，并且經(jīng)常處于加速、剪切和制動(dòng)狀態(tài)。因此，主軸電機(jī)應(yīng)穩(wěn)定并以恒定速度旋轉(zhuǎn)。差異小，抗干擾能力強(qiáng)，變速運(yùn)動(dòng)的連續(xù)性高，啟動(dòng)和停止發(fā)動(dòng)機(jī)時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)的安全性和可靠性高以及使用壽命長(zhǎng)。最常用的電動(dòng)機(jī)是三相異步電動(dòng)機(jī)。快速的機(jī)械主軸系統(tǒng)需要至少100m / s 的速度。大型輪磨機(jī)的外徑為400 毫米。假設(shè)主軸系統(tǒng)是由電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的，則當(dāng)主軸速度設(shè)計(jì)為6000r / min 時(shí)，就可以滿足所需的加工速度，因此選擇電動(dòng)機(jī)標(biāo)稱速度為3000r / min，以1：2 的傳動(dòng)比進(jìn)行傳動(dòng)。在本文中，選擇了Siemens160M 三相異步電動(dòng)機(jī)。

2.3 軸承潤(rùn)滑、預(yù)緊方式選擇

為了降低剛度，旋轉(zhuǎn)精度和主軸振動(dòng)，必須事先擰緊軸承安裝。即使部分預(yù)加載也可以提高工件表面的質(zhì)量。滾動(dòng)軸承的初始軸向預(yù)緊力通常用于獲得機(jī)床主軸較大的抗變形能力，并且該預(yù)緊力通常用于兩個(gè)軸承的涂層安裝，以便一個(gè)軸承向另一個(gè)軸承提供永久的軸向力。安裝方法分為預(yù)緊和恒壓。重復(fù)的預(yù)緊壓力非常適合，但不適用于困難的情況。為了提高剛性，接受了原始限制的位置。預(yù)緊力可分為微緊，輕預(yù)緊，中等重緊和重緊。預(yù)緊力越高，則更可能導(dǎo)致發(fā)熱。參照《NSK 技術(shù)手冊(cè)》中的相關(guān)信息，本文設(shè)計(jì)了一種機(jī)械主軸單元，可以承受輕度的預(yù)緊力，預(yù)緊力為390N，軸承的軸向強(qiáng)度為618N /μm。主軸軸承的潤(rùn)滑分為脂潤(rùn)滑及油潤(rùn)滑。油脂潤(rùn)滑是最常用的潤(rùn)滑方法，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于維護(hù)，可靠性高，成本低?？紤]選擇脂潤(rùn)滑[2]。

3 故障診斷理論

作為機(jī)械主軸最重要的部件之一，滾動(dòng)軸承廣泛用于機(jī)械產(chǎn)品的加工中，也是整個(gè)設(shè)備中最脆弱的部件之一。軸承失效的方式包含疲勞損傷、磨損、塑性變形、腐蝕、斷裂和粘附。上述任意一種失效發(fā)生，都會(huì)導(dǎo)致機(jī)器故障。滾動(dòng)軸承的使用壽命長(zhǎng)短不一，很容易受到實(shí)際工作條件的影響。為此，定期維護(hù)的方法是非常不合理的。因此，滾動(dòng)軸承的故障排除尤為重要。檢測(cè)滾動(dòng)軸承缺陷的最常見技術(shù)之一是振動(dòng)診斷技術(shù)。以下是診斷故障的一些常見方法[3]。

4 結(jié)語(yǔ)

由于機(jī)械制造過程、裝配和工作條件等因素，機(jī)械設(shè)備往往具有多種形式故障。常見的故障形式包括過熱、噪聲大等。上一章詳細(xì)介紹了熱問題。本章主要研究工件加工時(shí)高速機(jī)械主軸系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)的過度振動(dòng)問題。首先，介紹了振動(dòng)檢測(cè)與診斷的最新技術(shù)和趨勢(shì)，提出了一種將希爾伯特包絡(luò)線的解調(diào)方法與雙填充波形變壓器復(fù)合體相結(jié)合的方法。用于快速機(jī)械主軸系統(tǒng)故障排除，并使用該方法對(duì)項(xiàng)目中檢測(cè)到的機(jī)械主軸系統(tǒng)的故障信號(hào)進(jìn)行分析，找出軸承外圈故障的典型發(fā)生頻率，然后初步判定主軸軸承已發(fā)生損傷。更換軸承后，主軸系統(tǒng)的振動(dòng)會(huì)大大降低。隨后通過對(duì)拆解的軸承進(jìn)行觀測(cè)分析，其外圈凹槽中出現(xiàn)多出壓痕。