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數控機床上滾動軸承的特點與故障分析
2009-11-04
來源：《硅谷》 作者：錢 俠
摘要：數控機床是集機、電、液于一身的機電設備，具有技術密集和知識密集的特點。一旦發生故障，診斷的難度大。尤其是對機械部件的檢測與診斷更為困難，誤診率較高。本文主要研究數控機床上滾動軸承的特點與故障檢測。
關鍵詞：數控機床；滾動軸承；故障
一、數控機床滾動軸承的特點與故障
在數控機床上主軸軸承常用滾動軸承和滑動軸承。滾動軸承摩擦阻力小，可以預緊，潤滑維護簡單，能在一定轉速范圍和載荷變動范圍下穩定的運動。數控機床Z常用的滑動軸承是靜壓滑動軸承。靜壓滑動軸承的油膜壓強是由液壓缸從外界供給的，與主軸的轉速無關。它的剛度大，回轉精度高。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控機床。滾動軸承由專業化工廠生產，選購維修方便。數控主軸組件在可能的條件下，盡量使用滾動軸承。特別是大多數立式主軸和主軸裝在套簡內能夠作軸向移動的主軸，用滾動軸承可以用潤滑脂潤滑避免漏油。在數控機床上使用的滾動軸承主要有：球軸承，滾珠軸承，圓錐滾子軸承三大類。
滾動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。可將這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間較長，磨損后滾動面全周慢慢劣化的異常形態。此時軸承的振動與正常軸承振動具有相同的特點。區別是此時振動幅度變大了。
2 表面剝落是由疲勞、裂紋、壓痕、膠合等失效形式造成滾動面的異常形態。它們所引起的振動為沖擊振動，振動信號中含有軸承的傳輸振動和軸承構件的固有振動。可以通過查找這些固有振動中是否出現某一構件運行特征頻率來判斷軸承的故障。
3 燒損是由于軸承潤滑狀態惡化等原因造成的。在到達燒傷程度的過程中，軸承的振動值急速增大。潤滑不良，載荷過大，沖擊載荷，和轉速過高是造成滾動軸承故障的主要原因。其中潤滑不良是主要原因。數控機床由于本身的結構特點和切削工藝特點，其軸承受到的損壞也與普通機床不太一樣。在數控機床中，數控機床主軸的轉動速度和進給軸的進給速度都是受數控系統的監控，很少出現轉速過高的現象，所以轉速過高不會成為數控機床軸承的故障原因。數控機床的軸承一般采用強制潤滑和油脂封入潤滑，使用強制潤滑的軸承不存在潤滑不良的問題：采用油脂封入式潤滑的軸承，才會因沒有得到定期的保養而產生潤滑不良的問題。因此，潤滑不良的原因也不是數控機床軸承故障Z主要原因。在加工中，數控機床可能會出現由于切削用量過大而產生的軸承所受載荷過大的現象。以及刀具以高速切入工件，造成對主軸軸承的瞬間沖擊載荷的現象也是經常發生的。經過上面的分析，我們可以得到這樣的結論，載荷過大，沖擊載荷和潤滑不良是造成數控機床軸承故障的主要原因。由此而產生的故障主要是表面剝落和燒損。這兩者中發生概率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查找由故障產生的沖擊振動中是否出現了某一構件運行特征頻率。滾動軸承有四個組成構件，內環、外環、滾動體及保持架。其故障也都是這四個構件的損傷及破壞引起的，包括：內滾道故障，外滾道故障，滾動體故障，保持架碰外環故障和保持架碰內環故障。據統計在滾動軸承的故障中，90％的故障來自于外環和內環故障。
二、滾動軸承的振動按產生機理
滾動軸承的振動按產生機理又分為三種類型：
1 軸承結構的固有振動。包括將內環看作是彈性體而引起的固有振動：將外環看作是剛性體而引起的固有振動：將滾動體看作剛體而引起的固有振動。
2 強迫振動。由軸承零件制造或裝配誤差而引起的振動。如：內外環波紋度、滾動體直徑差等制造誤差。
3 沖擊振動。內外環或滾動體表面上存在劃痕、毛刺、銹斑、點蝕、剝落、凹坑等缺陷，或有灰塵，潤滑，油污等情況存在時，會激勵起軸承脈沖型振動，振動的周期與轉速成反比。振幅和與缺陷的尺寸大小有關。滾動軸承的振動往往是以上各類振動共同作用的結果。其中軸承滾動時產生的正常振動與軸承的彈性特性有關，而異常振動與軸承滾動表面的狀況有關。大量實驗表明，在軸承運轉正常情況下，軸承零件表面波紋度是引起軸承振動的主要因素，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生。這些沖擊振動的出現使原來的平穩振動信號變成了非平穩振動信號。即軸承的振動信號為非平穩振動信號。由內外滾道故障引起的振動是軸承振動的主要因素。
三、故障的特征與診斷技術
正常情況下，滾動軸承的振動時頻域波形有兩個特點：無沖擊和變化慢。當滾動軸承在存在局部故障時，軸承的其它零部件會周期性地撞擊故障部位，產生沖擊力。激勵軸承座或其它機械零部件產生振動，形成一系列沖擊振動。其沖擊脈沖周期為基階故障特征頻率的倒數。沖擊脈沖寬度在us數量級，它將激起系統或結構的高頻響應，響應水平取決于系統或結構的固有頻率及阻尼的大小。
針對滾動軸承的振動特點，人們陸續提出了許多時域和頻域分析方法。時域方法主要包括沖擊能量分析法，峰值因子法，沖擊脈沖計數法等。這些方法在共振頻帶比較多的情況下，很難區分到底是軸承哪一部分出現缺陷。頻域分析方法包括功率譜分析，倒譜分析，包絡解調分析和雙譜分析等。滾動軸承出現故障時振動信號是非平穩信號，單純用時域或頻域的方法很難達到理想的效果。通過小波分析的方法對滾動軸承振動信號同時進行時域和頻域的分析，可以達到很好的效果。另外滾動軸承的滾動面出現點蝕、疲勞、剝落等表面剝落故障時，振動信號中包含了相應的沖擊成分。但是這些沖擊成分往往被其它沖振動噪聲所掩蓋，不能直接從時域中得到。通過自適應濾波濾除噪聲后，再使用小波分析完成對故障信號的故障特征提取是比較好的分析方法。
關鍵詞：數控機床；滾動軸承；故障
一、數控機床滾動軸承的特點與故障
在數控機床上主軸軸承常用滾動軸承和滑動軸承。滾動軸承摩擦阻力小，可以預緊，潤滑維護簡單，能在一定轉速范圍和載荷變動范圍下穩定的運動。數控機床Z常用的滑動軸承是靜壓滑動軸承。靜壓滑動軸承的油膜壓強是由液壓缸從外界供給的，與主軸的轉速無關。它的剛度大，回轉精度高。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控機床。滾動軸承由專業化工廠生產，選購維修方便。數控主軸組件在可能的條件下，盡量使用滾動軸承。特別是大多數立式主軸和主軸裝在套簡內能夠作軸向移動的主軸，用滾動軸承可以用潤滑脂潤滑避免漏油。在數控機床上使用的滾動軸承主要有：球軸承，滾珠軸承，圓錐滾子軸承三大類。
滾動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。可將這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間較長，磨損后滾動面全周慢慢劣化的異常形態。此時軸承的振動與正常軸承振動具有相同的特點。區別是此時振動幅度變大了。
2 表面剝落是由疲勞、裂紋、壓痕、膠合等失效形式造成滾動面的異常形態。它們所引起的振動為沖擊振動，振動信號中含有軸承的傳輸振動和軸承構件的固有振動。可以通過查找這些固有振動中是否出現某一構件運行特征頻率來判斷軸承的故障。
3 燒損是由于軸承潤滑狀態惡化等原因造成的。在到達燒傷程度的過程中，軸承的振動值急速增大。潤滑不良，載荷過大，沖擊載荷，和轉速過高是造成滾動軸承故障的主要原因。其中潤滑不良是主要原因。數控機床由于本身的結構特點和切削工藝特點，其軸承受到的損壞也與普通機床不太一樣。在數控機床中，數控機床主軸的轉動速度和進給軸的進給速度都是受數控系統的監控，很少出現轉速過高的現象，所以轉速過高不會成為數控機床軸承的故障原因。數控機床的軸承一般采用強制潤滑和油脂封入潤滑，使用強制潤滑的軸承不存在潤滑不良的問題：采用油脂封入式潤滑的軸承，才會因沒有得到定期的保養而產生潤滑不良的問題。因此，潤滑不良的原因也不是數控機床軸承故障Z主要原因。在加工中，數控機床可能會出現由于切削用量過大而產生的軸承所受載荷過大的現象。以及刀具以高速切入工件，造成對主軸軸承的瞬間沖擊載荷的現象也是經常發生的。經過上面的分析，我們可以得到這樣的結論，載荷過大，沖擊載荷和潤滑不良是造成數控機床軸承故障的主要原因。由此而產生的故障主要是表面剝落和燒損。這兩者中發生概率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查找由故障產生的沖擊振動中是否出現了某一構件運行特征頻率。滾動軸承有四個組成構件，內環、外環、滾動體及保持架。其故障也都是這四個構件的損傷及破壞引起的，包括：內滾道故障，外滾道故障，滾動體故障，保持架碰外環故障和保持架碰內環故障。據統計在滾動軸承的故障中，90％的故障來自于外環和內環故障。
二、滾動軸承的振動按產生機理
滾動軸承的振動按產生機理又分為三種類型：
1 軸承結構的固有振動。包括將內環看作是彈性體而引起的固有振動：將外環看作是剛性體而引起的固有振動：將滾動體看作剛體而引起的固有振動。
2 強迫振動。由軸承零件制造或裝配誤差而引起的振動。如：內外環波紋度、滾動體直徑差等制造誤差。
3 沖擊振動。內外環或滾動體表面上存在劃痕、毛刺、銹斑、點蝕、剝落、凹坑等缺陷，或有灰塵，潤滑，油污等情況存在時，會激勵起軸承脈沖型振動，振動的周期與轉速成反比。振幅和與缺陷的尺寸大小有關。滾動軸承的振動往往是以上各類振動共同作用的結果。其中軸承滾動時產生的正常振動與軸承的彈性特性有關，而異常振動與軸承滾動表面的狀況有關。大量實驗表明，在軸承運轉正常情況下，軸承零件表面波紋度是引起軸承振動的主要因素，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生。這些沖擊振動的出現使原來的平穩振動信號變成了非平穩振動信號。即軸承的振動信號為非平穩振動信號。由內外滾道故障引起的振動是軸承振動的主要因素。
三、故障的特征與診斷技術
正常情況下，滾動軸承的振動時頻域波形有兩個特點：無沖擊和變化慢。當滾動軸承在存在局部故障時，軸承的其它零部件會周期性地撞擊故障部位，產生沖擊力。激勵軸承座或其它機械零部件產生振動，形成一系列沖擊振動。其沖擊脈沖周期為基階故障特征頻率的倒數。沖擊脈沖寬度在us數量級，它將激起系統或結構的高頻響應，響應水平取決于系統或結構的固有頻率及阻尼的大小。
針對滾動軸承的振動特點，人們陸續提出了許多時域和頻域分析方法。時域方法主要包括沖擊能量分析法，峰值因子法，沖擊脈沖計數法等。這些方法在共振頻帶比較多的情況下，很難區分到底是軸承哪一部分出現缺陷。頻域分析方法包括功率譜分析，倒譜分析，包絡解調分析和雙譜分析等。滾動軸承出現故障時振動信號是非平穩信號，單純用時域或頻域的方法很難達到理想的效果。通過小波分析的方法對滾動軸承振動信號同時進行時域和頻域的分析，可以達到很好的效果。另外滾動軸承的滾動面出現點蝕、疲勞、剝落等表面剝落故障時，振動信號中包含了相應的沖擊成分。但是這些沖擊成分往往被其它沖振動噪聲所掩蓋，不能直接從時域中得到。通過自適應濾波濾除噪聲后，再使用小波分析完成對故障信號的故障特征提取是比較好的分析方法。
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