胡宏明，張 波

（南京高速齒輪制造有限公司，江蘇南京 211100）

0 引言

高端制造業(yè)的快速發(fā)展，越來(lái)越多的數(shù)控設(shè)備、自動(dòng)化生產(chǎn)線投入使用，對(duì)設(shè)備管理和設(shè)備維護(hù)提出了更高要求。生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)的正常運(yùn)行，需要設(shè)備保障，有效的預(yù)防性預(yù)測(cè)性維護(hù)策略是保證產(chǎn)品加工質(zhì)量的關(guān)鍵。一般設(shè)備劣化都是有過(guò)程的，如圖1 所示。

圖1 設(shè)備故障浴盆曲線

1 磨齒機(jī)預(yù)測(cè)性維護(hù)

數(shù)控成形磨齒機(jī)是齒輪加工的精密機(jī)床，磨頭伺服電機(jī)的旋轉(zhuǎn)精度很高，是決定齒輪磨削品質(zhì)的重要部件之一，磨頭電機(jī)選用的是高精度軸承，軸承在完全失效之前，如出現(xiàn)滾子點(diǎn)蝕、滾道磨損等都會(huì)引起電機(jī)旋轉(zhuǎn)軸的軸向跳動(dòng)和徑向跳動(dòng)變化，從而出現(xiàn)異常振動(dòng)，這種振動(dòng)會(huì)嚴(yán)重影響磨齒質(zhì)量，需要進(jìn)行預(yù)測(cè)。

1.1 軸承失效分析與預(yù)測(cè)

針對(duì)磨齒機(jī)磨頭電機(jī)軸承易失效采用振動(dòng)分析方法，使用振動(dòng)儀器檢測(cè)磨齒機(jī)磨頭電機(jī)軸承部位振動(dòng)，通過(guò)數(shù)據(jù)分析，從而判斷電機(jī)軸承使用狀態(tài)，預(yù)測(cè)軸承失效期及位置，給出電機(jī)預(yù)防性維護(hù)策略。軸承失效分為4 個(gè)階段：初期—發(fā)展期—快速發(fā)展期—末期。

（1）失效初期。在次表面形成微觀裂紋或晶格的錯(cuò)位，振動(dòng)總量增加較小，振動(dòng)加速度傳感器很難監(jiān)測(cè)到，此階段可以使用聲發(fā)射傳感器進(jìn)行采集，主要表征為能量值變大，由于數(shù)控磨齒機(jī)加工的零件種類很多，不同零件、不同磨削工藝階段，磨削時(shí)磨頭電機(jī)功率差異很大，并且磨頭電機(jī)位置相對(duì)封閉，所以很難使用聲發(fā)射傳感器法進(jìn)行初期失效檢測(cè)。

（2）失效發(fā)展期。劣化由次表面向表面擴(kuò)散，接觸表面形成裂紋或微小剝落，通過(guò)接觸會(huì)形成一定頻率的沖擊，沖擊信號(hào)會(huì)激勵(lì)零部件高頻固有頻率發(fā)生共振，所以導(dǎo)致高頻振動(dòng)變大，此階段可以使用振動(dòng)加速度傳感器結(jié)合包絡(luò)分析，觀測(cè)固有頻率段幅值增大。

（3）快速發(fā)展期。損傷點(diǎn)對(duì)接觸面沖擊越來(lái)越強(qiáng)，此階段可用振動(dòng)加速度傳感器結(jié)合功率譜觀測(cè)到共振段故障特征頻率越來(lái)越多，并且在3 倍轉(zhuǎn)頻到固有頻率段之間出現(xiàn)倍頻故障特征點(diǎn)，此階段為維護(hù)的關(guān)鍵時(shí)期，一旦發(fā)現(xiàn)設(shè)備進(jìn)入快速發(fā)展期，應(yīng)協(xié)調(diào)生產(chǎn)進(jìn)行預(yù)防性停機(jī)維護(hù)。

（4）失效末期。損傷點(diǎn)擴(kuò)大，噪聲及溫升明顯增大，此階段可用振動(dòng)加速度傳感器結(jié)合功率譜觀測(cè)到明顯的故障特征頻率和其邊帶頻率。此階段會(huì)導(dǎo)致設(shè)備或工件損壞，應(yīng)極力避免。

對(duì)于磨齒機(jī)的磨頭電機(jī)軸承失效分析，及時(shí)檢測(cè)到軸承失效發(fā)展期，做好維修準(zhǔn)備，安排在快速發(fā)展期到前進(jìn)行維修，既做到及時(shí)維修，杜絕磨削質(zhì)量損失，又避免突然故障對(duì)生產(chǎn)計(jì)劃影響，降低維修成本，也不會(huì)出現(xiàn)過(guò)維護(hù)。

1.2 磨齒機(jī)更換磨頭電機(jī)軸承（故障分析維修）

某齒圈在裝入齒輪箱加載試驗(yàn)后，經(jīng)磁粉探傷檢查發(fā)現(xiàn)有加載振紋（圖2），根據(jù)該齒圈在齒輪測(cè)量機(jī)的離線檢測(cè)報(bào)告上分析，齒形、齒向精度合格，表面粗糙度合格，反查加工該齒圈的數(shù)控磨齒機(jī)，對(duì)磨頭電機(jī)軸承進(jìn)行振動(dòng)分析，根據(jù)軸承內(nèi)圈振動(dòng)頻譜圖（圖3），判定軸承失效，經(jīng)解體電機(jī)，檢查確認(rèn)軸承內(nèi)圈表面點(diǎn)蝕、剝落嚴(yán)重（圖4）。

圖2 加載后齒面紋路

圖3 內(nèi)圈損壞缺陷頻譜圖

圖4 軸承內(nèi)圈損壞情況

1.3 磨齒機(jī)更換磨頭電機(jī)軸承（預(yù)測(cè)性維修）

在對(duì)某臺(tái)進(jìn)口數(shù)控磨齒機(jī)磨頭電機(jī)軸承的例行檢測(cè)過(guò)程中，分析其特征頻譜圖認(rèn)為該磨頭電機(jī)軸承已出現(xiàn)失效，需要維修，將電機(jī)拆開(kāi)后，發(fā)現(xiàn)軸承外圈磨損出現(xiàn)松動(dòng)（圖5），內(nèi)圈表面已經(jīng)有剝落（圖6），檢查結(jié)果和預(yù)判一致，從維修后的頻譜圖（圖7）上分析，外圈仍有輕微松動(dòng)，可以使用，主要是軸承座有輕微磨損，受現(xiàn)場(chǎng)維修局限，不能完全達(dá)到機(jī)床廠的軸承裝配要求。

圖5 軸承外圈磨損松動(dòng)

圖6 軸承內(nèi)圈剝落

圖7 維修后頻譜圖

2 精密加工質(zhì)量SPC（統(tǒng)計(jì)過(guò)程控制）

將在加工中心機(jī)床上加工好的工件，在三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)上按工藝圖上要求進(jìn)行數(shù)據(jù)測(cè)量，將測(cè)量結(jié)果與工藝要求進(jìn)行對(duì)比，統(tǒng)計(jì)超差數(shù)值，提交設(shè)備維護(hù)工程師進(jìn)行分析，判斷所加工工件的機(jī)床精度失效原因，通過(guò)對(duì)機(jī)床的各傳動(dòng)軸、主軸等精度分析，制定解決方案或預(yù)測(cè)維護(hù)方案（圖8）。

圖8 SPC 數(shù)據(jù)圖例

3 數(shù)控機(jī)床專用監(jiān)控系統(tǒng)

使用機(jī)床狀態(tài)監(jiān)控軟件，對(duì)數(shù)控機(jī)床關(guān)鍵部位狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，設(shè)定失效閥值，將機(jī)床異常信息及時(shí)發(fā)送給設(shè)備維護(hù)工程師，該軟件可以安裝在公司內(nèi)網(wǎng)服務(wù)器上，通過(guò)DNC 接口采集機(jī)床信息狀態(tài)。基于網(wǎng)頁(yè)瀏覽器的用戶界面，適用于任何帶網(wǎng)頁(yè)瀏覽器的設(shè)備，包括移動(dòng)式設(shè)備，如使用手機(jī)APP。狀態(tài)監(jiān)控軟件記錄和可視化以下信息：操作模式，主軸、快移速度和進(jìn)給速率的倍率調(diào)節(jié)設(shè)置，程序狀態(tài)，程序名稱和子程序名稱，程序運(yùn)行時(shí)間，機(jī)床實(shí)時(shí)信息通知；可用于數(shù)控機(jī)床的主軸電機(jī)、伺服電機(jī)功率監(jiān)控，機(jī)床操作履歷記錄，液壓系統(tǒng)壓力、流量監(jiān)控，刀庫(kù)工作狀態(tài)監(jiān)控等。

4 季節(jié)交替對(duì)設(shè)備精度的影響

數(shù)控機(jī)床的機(jī)械精度高，加工零件的質(zhì)量要求也高，對(duì)于安裝在非恒溫車間的數(shù)控機(jī)床，受環(huán)境溫度變化的影響就會(huì)直接影響到機(jī)床精度。數(shù)控立車的刀架為滑枕式結(jié)構(gòu)，刀架體采用鑄鐵件，滑枕體采用鍛鋼件，滑枕斷面為方形在刀架體內(nèi)垂直運(yùn)動(dòng)，滑枕與刀架體之間的間隙，必須通過(guò)鑲條進(jìn)行間隙調(diào)整。

在冬季過(guò)渡到夏季的過(guò)程中，由于滑枕受溫度影響，會(huì)發(fā)生微量漲大，導(dǎo)致與刀架體間隙變小，運(yùn)行阻尼增大，影響機(jī)床精度，需要調(diào)整鑲條來(lái)保證間隙合適；在夏季過(guò)渡到冬季過(guò)程中，滑枕與刀架體間隙變大，滑枕在刀架體內(nèi)晃動(dòng)，影響機(jī)床精度，需要調(diào)整鑲條來(lái)保證間隙合適。

根據(jù)溫度變化產(chǎn)生的對(duì)滑枕運(yùn)行精度的影響，設(shè)備維護(hù)工程師總結(jié)了調(diào)整方案。通過(guò)在季節(jié)交替的過(guò)渡時(shí)間段，對(duì)Z 軸電機(jī)運(yùn)行電流檢測(cè)，滑枕運(yùn)行電流變大或變小且不穩(wěn)定，超過(guò)經(jīng)驗(yàn)閥值，就需要對(duì)滑枕的鑲條進(jìn)行調(diào)整，恢復(fù)機(jī)床該項(xiàng)精度，以保證零件加工質(zhì)量。

5 智能起重機(jī)安全監(jiān)控

起重機(jī)作為在空中運(yùn)行轉(zhuǎn)移重物的起吊特種設(shè)備，起重機(jī)的使用安全和維護(hù)安全非常重要。智能化起重機(jī)配備智能監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)起重機(jī)的有效管理，實(shí)時(shí)監(jiān)控起重機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)，安全監(jiān)測(cè)以及各項(xiàng)數(shù)據(jù)管理，包括記錄起重機(jī)運(yùn)行數(shù)據(jù)、故障報(bào)警、設(shè)備維護(hù)數(shù)據(jù)等信息；規(guī)范操作人員定時(shí)點(diǎn)檢，并記錄；提供起重機(jī)運(yùn)行情況報(bào)表，定期保養(yǎng)提醒，維護(hù)人員根據(jù)報(bào)表制定預(yù)防維護(hù)策略；還可通過(guò)手機(jī)APP 對(duì)起重機(jī)實(shí)施遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控。

起重機(jī)作為特種設(shè)備，定期維護(hù)、預(yù)防預(yù)測(cè)性維護(hù)對(duì)其使用的安全性保障尤其重要。從管理角度對(duì)起重機(jī)提出了智能化要求，通過(guò)在起重機(jī)上配置的各類傳感器，采集運(yùn)行信息、狀態(tài)信息和故障信息并實(shí)時(shí)保存在存儲(chǔ)器內(nèi)，類似于飛機(jī)上的“黑匣子”，通過(guò)USB 接口可傳輸?shù)焦P記本電腦，可有效進(jìn)行運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)控、維修保養(yǎng)信息顯示、故障診斷和運(yùn)行參數(shù)優(yōu)化。

例如起重機(jī)在啟動(dòng)后，控制器首先進(jìn)行自檢，包括電源電壓高低、是否缺相、各安全保護(hù)裝置的有效性及按鈕的零位狀況，并記錄。如超載限制器檢測(cè)到鋼絲繩拉力大于90%額定值時(shí)，超載保護(hù)裝置報(bào)警，當(dāng)鋼絲繩拉力大于100%額定值時(shí)，該超載保護(hù)裝置會(huì)自動(dòng)切斷起升回路并記錄。

安全監(jiān)測(cè)控制，設(shè)置特定的程序，實(shí)現(xiàn)設(shè)備安全工作周期記錄、制動(dòng)器運(yùn)行壽命記錄（次數(shù)）、鋼絲繩使用時(shí)間記錄、主要結(jié)構(gòu)或主要單元的安全運(yùn)行周期以及設(shè)備基本運(yùn)行數(shù)據(jù)記錄等，并通過(guò)以上數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備安全監(jiān)測(cè)控制。

運(yùn)行的各種數(shù)據(jù)記錄、統(tǒng)計(jì)，如設(shè)備的啟動(dòng)次數(shù)、運(yùn)行時(shí)間、起吊的載荷分布、電機(jī)溫度、電機(jī)轉(zhuǎn)矩、制動(dòng)器的使用壽命記錄。

在起重機(jī)使用過(guò)程中出現(xiàn)異常或事故，能夠通過(guò)“黑匣子”提供的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行技術(shù)診斷分析，避免同類事件的重復(fù)發(fā)生，為起重機(jī)全壽命周期管理提供數(shù)據(jù)和預(yù)防預(yù)測(cè)維護(hù)策略。

6 設(shè)備維護(hù)專家系統(tǒng)

設(shè)備信息化平臺(tái)系統(tǒng)，設(shè)計(jì)有各功能模塊。專家分析決策層，設(shè)備維護(hù)專家對(duì)點(diǎn)檢、故障、保養(yǎng)、巡檢、監(jiān)測(cè)診斷的過(guò)程作業(yè)數(shù)據(jù)以及結(jié)果進(jìn)行完整的歸檔與分析，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)整合；單臺(tái)設(shè)備、同類設(shè)備、同類故障的分析數(shù)據(jù)進(jìn)行整合；通過(guò)數(shù)據(jù)分析并結(jié)合設(shè)備使用現(xiàn)狀，評(píng)估得出預(yù)測(cè)預(yù)防性維護(hù)方案與作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，以指導(dǎo)執(zhí)行層實(shí)施，完成現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)管理閉環(huán)。設(shè)備維護(hù)預(yù)防業(yè)務(wù)包括維修作業(yè)報(bào)告、三閉環(huán)作業(yè)結(jié)論、缺陷管理、診斷監(jiān)測(cè)結(jié)果的信息數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)整合，還包括維護(hù)可行性、現(xiàn)場(chǎng)使用工況與工藝分析，制定可行性解決方案與長(zhǎng)效處理策略，形成AM 或PM 計(jì)劃，還可以通過(guò)改善或設(shè)備技術(shù)改造方案徹底解決問(wèn)題，同時(shí)形成解決方案庫(kù)（圖9）。

圖9 作業(yè)流程設(shè)計(jì)

7 結(jié)論

通過(guò)設(shè)備技術(shù)研究，根據(jù)設(shè)備劣化特征，做好設(shè)備的預(yù)防預(yù)測(cè)性維護(hù)是可行的，也是很有必要的。通過(guò)上述案例解析，有助于打開(kāi)設(shè)備維護(hù)的思路，不局限于僅關(guān)注設(shè)備點(diǎn)檢、定期保養(yǎng)等日常設(shè)備維護(hù)工作，更要在設(shè)備維護(hù)信息化、智能化上下功夫，更少依賴人的日常巡檢，提高設(shè)備維護(hù)效率和提前量，更好地為生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)服務(wù)。