□ 范零峰 □ 雷良育,2 □ 王建航 □ 童成鵬 □ 馬宇飛

1.浙江農(nóng)林大學(xué) 工程學(xué)院 杭州 311300 2.浙江兆豐機(jī)電股份有限公司 杭州 311200

1 設(shè)計背景

隨著運輸行業(yè)的高速發(fā)展,重卡的使用量逐年增加。圓錐滾子軸承承載能力強(qiáng),廣泛應(yīng)用于重卡。圓錐滾子軸承的質(zhì)量直接關(guān)系到重卡的行駛安全和道路交通安全。振動性能是軸承的重要參數(shù),能夠綜合反映軸承的運行狀態(tài),因此出廠前需要對軸承進(jìn)行振動檢測。

振動性能不僅能反映軸承的加工精度,而且能對軸承內(nèi)部的損傷及加工誤差進(jìn)行表征。振動檢測是軸承出廠前必須進(jìn)行的關(guān)鍵步驟。傳統(tǒng)的檢測方法主要是隨機(jī)抽取軸承,利用振動測量儀和聲音放大器,通過聽聲響、讀波形、比數(shù)值等方式進(jìn)行人工檢測。這一方法效率低,誤差較大,主觀性較強(qiáng),不適用于生產(chǎn)線上的大規(guī)模檢測。

筆者設(shè)計的重卡輪轂軸承在線振動檢測系統(tǒng)基于可編程序控制器控制和LabVIEW數(shù)據(jù)處理技術(shù),能夠?qū)崿F(xiàn)檢測、顯示、報警、排出等一系列動作,真正實現(xiàn)軸承檢測的自動化和高效率,滿足軸承出廠前需逐一檢測的要求。

2 重卡輪轂軸承結(jié)構(gòu)

重卡輪轂軸承單元由雙列圓錐滾子軸承嵌套在輪轂球殼內(nèi),每個軸承由內(nèi)圈、外圈、保持架、滾動體組成,滾動體為28顆圓錐滾子。重卡輪轂軸承結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 重卡輪轂軸承結(jié)構(gòu)

3 振動檢測原理

在軸承出廠檢測中,需要檢測軸承是否存在未超精加工或者其它微故障。在軸承生產(chǎn)制造中,軸承的故障通常是由裝配誤差、異物侵入、潤滑不良等原因引起的微故障。由于出廠前對軸承的要求是完好無損,因此檢測軸承時只需要確定哪個部件發(fā)生了故障,對故障部件進(jìn)行淘汰更換即可,不需要判斷軸承的故障類型。

根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 24610—2019《滾動軸承》對軸承進(jìn)行振動檢測。軸承內(nèi)圈隨主軸旋轉(zhuǎn),對外圈施加軸向載荷使其靜止不動。加速度傳感器安裝在軸承外圈外圓柱面寬度方向的中心位置,測量方向沿軸承徑向且垂直于軸承的幾何中心線,得到軸承的徑向振動信號。上位機(jī)對振動信號進(jìn)行分析處理,獲取對應(yīng)波形和參數(shù)值。時域波形能夠直觀準(zhǔn)確反映振動信號的變化,根據(jù)時域波形的幅值變化,即可初步判斷軸承是否存在異常。頻域分析能夠?qū)收系陌l(fā)生位置進(jìn)行相對準(zhǔn)確的判斷。對低頻段測得的振動信號經(jīng)濾波后進(jìn)行傅里葉變換,得到頻譜圖。在頻譜圖中,將最大波峰所對應(yīng)的頻率與故障頻率相比較,即可判斷故障發(fā)生的位置。超精加工能夠降低軸承的粗糙度、波紋度,使軸承表面更加光滑。軸承的各部件分別對應(yīng)不同的頻率范圍,觀察在對應(yīng)頻率范圍內(nèi)是否存在波峰過大現(xiàn)象,可以判斷軸承是否超過精度要求。

4 機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計

根據(jù)振動檢測原理和實際生產(chǎn)需求,研發(fā)出一套用于生產(chǎn)線的重卡輪轂軸承在線振動檢測系統(tǒng)。這一系統(tǒng)的機(jī)械部分主要由進(jìn)出料裝置、檢測裝置、分選裝置組成。

進(jìn)出料裝置由爪座、薄型氣缸、滑動導(dǎo)軌、立桿組成。薄型氣缸驅(qū)動爪座在滑動導(dǎo)軌上滑動,爪座的圓弧恰好貼合軸承外圈,輸送一個軸承至指定檢測位置的同時,右側(cè)邊緣擋板將檢測好的軸承推出檢測工位。進(jìn)出料裝置結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 進(jìn)出料裝置結(jié)構(gòu)

檢測裝置主要由加速度傳感器、電機(jī)、氣缸、加載盤、芯軸、固定托臺構(gòu)成,結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 檢測裝置結(jié)構(gòu)

檢測裝置的工作過程分為初始過程、加載過程、退出過程。

(1) 初始過程。加載盤和固定托臺間有一定距離,軸承經(jīng)上一道工序到達(dá)爪座工作的指定位置后,爪座卡住軸承外圈向前推送,將軸承推送至固定托臺處,并將已經(jīng)檢測好的軸承推出。固定托臺上的芯軸與內(nèi)圈配合,內(nèi)圈大擋邊與芯軸的軸肩接觸。

(2) 加載過程。氣缸推動加載盤緩緩下落,加載盤壓住軸承外圈,施加軸向載荷,使外圈靜止不動。芯軸旋轉(zhuǎn)帶動軸承旋轉(zhuǎn),待勻速轉(zhuǎn)動后加速度傳感器探頭與外圈接觸,采集產(chǎn)生的信號。加載時間為2 s,采集時間為0.5 s。

(3) 退出過程。當(dāng)檢測結(jié)束后,加速度傳感器退回初始位置,探頭與外圈脫離,芯軸緩緩?fù)Ｖ剐D(zhuǎn)。加載盤提升至初始位置,脫離軸承,提升氣缸,將固定托臺舉起。爪座將軸承推至下一個位置,合格品進(jìn)入下一道工序,不合格品由推桿自動推出至不合格品區(qū)。同時將新的待測軸承推至指定位置,重復(fù)之前的過程。

5 測控系統(tǒng)設(shè)計

5.1 硬件

重卡輪轂軸承在線振動檢測系統(tǒng)中,測控硬件部分主要由加速度傳感器、電荷放大器、數(shù)據(jù)采集卡、上位機(jī)、可編程序控制器、電磁閥、接觸器等組成。筆者采用壓電式加速度傳感器,受力后表面產(chǎn)生電荷,經(jīng)電荷放大器放大后輸出電壓信號,再轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號,輸入至上位機(jī)。上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理、存儲、顯示。上位機(jī)根據(jù)處理結(jié)果對可編程序控制器輸出相應(yīng)的控制命令,可編程序控制器驅(qū)動接觸器和電磁閥。接觸器和電磁閥分別控制電機(jī)、氣缸動作,根據(jù)上位機(jī)命令,完成主軸旋轉(zhuǎn)和氣缸推進(jìn)、退后等動作。如遇到不合格品,則上位機(jī)報警,可編程序控制器控制氣缸將不合格品推出。測控硬件電路接線如圖4所示。

圖4 測控硬件電路接線

5.2 軟件

檢測軟件主要基于LabVIEW軟件設(shè)計,包含的功能有數(shù)據(jù)傳輸、參數(shù)設(shè)置、數(shù)據(jù)分析、顯示報警、數(shù)據(jù)存儲等。檢測軟件主要功能模塊如圖5所示。

圖5 檢測軟件主要功能模塊

根據(jù)不同的缺陷,檢測軟件提供多種分析方法,綜合判斷軸承缺陷,并且自動識別軸承合格與不合格。不合格品顯示為NG,合格品顯示為OK。筆者設(shè)計了友好的人機(jī)交互界面,允許工作人員進(jìn)行參數(shù)設(shè)置、數(shù)據(jù)存儲、型號維護(hù)等工作,滿足不同型號軸承的檢測需求。檢測軟件主界面主要包括的模塊有開始生產(chǎn)、頻譜分析、超精分析、數(shù)據(jù)統(tǒng)計、檢測標(biāo)準(zhǔn)、型號維護(hù)、系統(tǒng)設(shè)置等。檢測軟件主界面如圖6所示。

圖6 檢測軟件主界面

6 樣機(jī)研制

根據(jù)設(shè)計方案研制的重卡輪轂軸承在線振動檢測系統(tǒng)樣機(jī)如圖7所示。這一樣機(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)單套軸承短于8 s的檢測速度。樣機(jī)與生產(chǎn)線上的其它部分相配合,能夠?qū)⒑细衿纷詣油扑椭料乱还ば?將不合格品自動排出至不合格品區(qū),實現(xiàn)完全自動化及高效率,符合設(shè)計要求。

圖7 重卡輪轂軸承在線振動檢測系統(tǒng)樣機(jī)

7 試驗分析

筆者選用某軸承生產(chǎn)商生產(chǎn)的HZF1630BR-2T型軸承進(jìn)行試驗。根據(jù)行業(yè)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn),對該軸承施加軸向載荷1 200 N,主軸轉(zhuǎn)速為900±20 r/min,檢測時間為2 s,振動信號采集時間為0.5 s。該軸承的具體參數(shù)見表1。

表1 HZF1630BR-2T型軸承參數(shù)

輪轂軸承單元振動加速度級可以作為軸承振動水平的評價,用分貝表示。根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)和計算,將該軸承的分貝上限值設(shè)置為55 dB,外圈的故障頻率為191 Hz,內(nèi)圈的故障頻率為228 Hz,滾動體的故障頻率為80 Hz,上下波動幅度為3 Hz。為了驗證樣機(jī)的可靠性,選取100套軸承,分別設(shè)定為正常軸承與不同故障的軸承,進(jìn)行試驗。最終檢測識別率為98%,符合設(shè)計要求。檢測結(jié)果統(tǒng)計見表2。

表2 檢測結(jié)果統(tǒng)計

經(jīng)過反復(fù)驗證,確定樣機(jī)能夠準(zhǔn)確識別出未超精加工、點蝕、劃痕、剝落、潤滑不良等一系列早期故障類型,滿足出廠檢測排查的各項要求。

由于圖片信息、數(shù)據(jù)較多,不便全部展示,因此筆者選取外圈滾道剝落故障進(jìn)行介紹。外圈滾道剝落故障軸承實物如圖8所示,將其時域波形圖與正常軸承進(jìn)行對比,時域波形圖比較如圖9所示。

圖8 外圈滾道剝落故障軸承實物

圖9 時域波形圖比較

正常軸承時域波形圖中,幅值變化范圍基本為-50～50 dB,波形變化較為均勻,沒有過高的峰值。軸承存在外圈滾道故障剝落時,幅值在-200～200 dB之間,幅值波動范圍大約是正常軸承的四倍,波形不均勻。由此可以初步判斷軸承存在故障,但是不能明確故障位置。

將外圈滾道剝落故障軸承的頻域波形圖與正常軸承進(jìn)行對比,如圖10所示。

圖10 頻域波形圖比較

正常軸承頻域波形圖中,幅值變化范圍十分有限,基本在1 mm/s2以下,未出現(xiàn)明顯的波峰。軸承存在外圈滾道剝落故障時,在中頻段1 500～2 500 Hz之間存在多個波峰,平均值大于4 mm/s2,遠(yuǎn)大于正常軸承的幅值1 mm/s2;在1 700 Hz附近出現(xiàn)峰值,最大幅值為8 mm/s2。根據(jù)《JB/T 10237—2001滾動軸承 圓錐滾子軸承 振動(加速度)技術(shù)條件》可知,中頻段振動幅值較大,可能受外圈表面不規(guī)則缺陷、滾道加工中磨床振動形成的波級度的影響。由此可以判斷軸承外圈存在故障,故障類型很可能是劃痕、剝落微故障。

正常軸承檢測結(jié)果見表3,外圈滾道剝落故障軸承檢測結(jié)果見表4。由表4可知,外圈故障特征頻率檢測值為189 Hz,滿足外圈故障特征頻率范圍191±3 Hz。因此,可最終判定軸承外圈出現(xiàn)故障,產(chǎn)品不合格。

表3 正常軸承檢測結(jié)果

表4 外圈滾道剝落故障軸承檢測結(jié)果

由表3可見,正常軸承噪聲檢測結(jié)果為50.9 dB,小于55 dB,其外圈、滾體、內(nèi)圈故障均無對應(yīng)頻率,各部分未超精加工對應(yīng)頻率均在正常范圍內(nèi),總體結(jié)果為合格品。由表4可見,外圈滾道剝落故障軸承噪聲為59.3 dB,超過55 dB,說明軸承存在故障。實測189 Hz頻率處出現(xiàn)最大波峰,接近外圈故障頻率的理論值191 Hz,確定外圈存在故障。部分未超精加工對應(yīng)頻率不在正常范圍內(nèi),說明已經(jīng)超過精度要求,總體結(jié)果為不合格品。

8 結(jié)束語

筆者設(shè)計的重卡輪轂軸承在線振動檢測系統(tǒng)能夠?qū)χ乜ㄝ嗇炤S承進(jìn)行自動、準(zhǔn)確、高效的檢測。這一系統(tǒng)的主要創(chuàng)新點是能夠準(zhǔn)確識別軸承的故障類型及產(chǎn)生的位置,自動剔除不合格品。這一系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)單套軸承短于8 s的檢測速度,大大提升了生產(chǎn)效率。這一系統(tǒng)目前已經(jīng)應(yīng)用于實際生產(chǎn)線,使用效果較為理想。