鐘成堡,文智明,劉治利

(1.廣東省高性能伺服系統(tǒng)企業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,珠海 519070; 2.珠海格力電器股份有限公司,珠海 519000)

0 引 言

工業(yè)產(chǎn)品逐步向高速、高精方向發(fā)展,對產(chǎn)品低噪聲、低振動(dòng)的需求越來越高。伺服電機(jī)作為工業(yè)機(jī)器人、數(shù)控機(jī)床等工業(yè)產(chǎn)品的核心零部件,其產(chǎn)品開發(fā)過程對噪聲、振動(dòng)也有更嚴(yán)格的要求[1-2]。伺服電機(jī)噪聲、振動(dòng)的測試評價(jià),一方面考慮到對環(huán)境、產(chǎn)品性能的影響,另一方面,噪聲振動(dòng)信號(hào)中包含了較多特征信息,可以作為故障診斷的一個(gè)手段。

本文針對某型伺服電機(jī)聽感異常問題進(jìn)行研究。雖然反映的是噪聲聽感問題,但可能隱含了生產(chǎn)工藝的缺陷,存在質(zhì)量隱患。因此,應(yīng)用噪聲振動(dòng)的研究手段著手分析該異常問題,對于提高產(chǎn)品的質(zhì)量具有重要意義。

通過對比測試正常樣機(jī)與異常樣機(jī)噪聲振動(dòng)及轉(zhuǎn)軸模態(tài),定位出是軸承跑圈導(dǎo)致異常。最后,通過軸承裝配工藝的改進(jìn),解決了該問題,從而解決了生產(chǎn)質(zhì)量隱患問題。

1 異常問題背景

某型伺服電機(jī)在試制過程中,終檢時(shí)發(fā)現(xiàn)部分樣機(jī)運(yùn)行時(shí)出現(xiàn)不連續(xù)的異常聲音,提供了4臺(tái)樣機(jī)以供研究,其中一臺(tái)為聽感正常樣機(jī),3臺(tái)為異常樣機(jī),樣機(jī)編號(hào)對應(yīng)關(guān)系如表1所示。

表1 正常與異常樣機(jī)編號(hào)

該型伺服電機(jī)的結(jié)構(gòu)簡圖如圖1所示,主要

圖1 某型伺服電機(jī)結(jié)構(gòu)簡圖

由前、后端蓋,前、后軸承,電機(jī)定、轉(zhuǎn)子,轉(zhuǎn)軸,制動(dòng)器,編碼器及波形彈性墊圈(以下簡稱波墊)組成。前、后軸承內(nèi)圈與轉(zhuǎn)軸為過盈配合,外圈與前、后端蓋軸承室為間隙配合,并通過厭氧金屬膠粘接固定。

2 異常問題分析定位

電機(jī)的噪聲源主要分為三類:電磁噪聲、機(jī)械噪聲和空氣動(dòng)力噪聲。從伺服電機(jī)的結(jié)構(gòu)圖可以看出,伺服電機(jī)不涉及風(fēng)扇部件,且運(yùn)行轉(zhuǎn)速相對不高,產(chǎn)生空氣動(dòng)力噪聲很小,可忽略,僅需考慮電磁噪聲與機(jī)械噪聲。機(jī)械噪聲的激勵(lì)包括轉(zhuǎn)子不平衡、轉(zhuǎn)子不對中、軸承故障、制動(dòng)器摩擦等;電磁振動(dòng)噪聲則主要由驅(qū)動(dòng)器輸出電流至電機(jī)定子而產(chǎn)生的交變電磁力引起[1]。

不同的噪聲源有不同的頻率特性,通過噪聲振動(dòng)測試手段可以定位出噪聲源與產(chǎn)生機(jī)理。

2.1 噪聲、振動(dòng)測試分析

產(chǎn)線反饋聽感異常相對來說比較主觀,無助于問題的分析解決。因此,首先對4臺(tái)樣機(jī)進(jìn)行噪聲振動(dòng)測試,按國標(biāo)GB/T 10069.1—2006規(guī)定方法在半消聲室內(nèi)進(jìn)行空載彈性安裝下的聲功率級(jí)測試[3],測試現(xiàn)場如圖2所示。

圖2 伺服電機(jī)噪聲振動(dòng)測試現(xiàn)場示意圖

4臺(tái)樣機(jī)在額定轉(zhuǎn)速(3 000 r/min)下聲功率總值如表2所示,噪聲頻譜對比如圖3所示。從全頻段噪聲總值對比看,2#、3#樣機(jī)比1#樣機(jī)偏大1.6 dB(A)、3.8 dB(A),而4#樣機(jī)反而稍優(yōu)于1#樣機(jī)噪聲,說明并不能從噪聲總值去判斷是否異常。從圖3頻譜對比可以看出,2#、3#、4#樣機(jī)在1/3倍頻程的630～1 250 Hz頻段噪聲總值比1#樣機(jī)偏高10 dB(A)以上。因此,需結(jié)合噪聲頻譜的異常頻段進(jìn)一步分析異常原因。

表2 各樣機(jī)額定轉(zhuǎn)速下聲功率總值對比(dB(A))

圖3 4臺(tái)樣機(jī)額定轉(zhuǎn)速下噪聲頻譜對比

對圖3(b)中幅值差異較大的1 000 Hz附近噪聲頻譜局部放大,如圖4所示。可以看到,相比1#正常樣機(jī),異常樣機(jī)除出現(xiàn)電機(jī)運(yùn)行頻率(50 Hz)的倍頻噪聲幅值外,均出現(xiàn)了±0.2、±0.4等分?jǐn)?shù)倍頻的噪聲信號(hào)。根據(jù)該信號(hào)特征,首先可以排除異常噪聲由電磁激勵(lì)引起,應(yīng)該為機(jī)械激勵(lì)異常導(dǎo)致。

圖4 4臺(tái)樣機(jī)額定轉(zhuǎn)速下1 000 Hz附近噪聲頻譜對比

為進(jìn)一步定位,對異常嚴(yán)重的3#樣機(jī)的振動(dòng)頻譜進(jìn)一步分析,如圖5所示。

圖5 3#樣機(jī)額定轉(zhuǎn)速下1 000 Hz附近振動(dòng)頻譜

可以看到,異常分?jǐn)?shù)倍頻處,主要是前軸承位及殼體中部振動(dòng)較大,考慮到該型伺服電機(jī)結(jié)構(gòu),前端蓋與機(jī)殼為一體設(shè)計(jì),機(jī)械激勵(lì)應(yīng)主要由前軸承處引起。根據(jù)頻率特性也可以排除是軸承的內(nèi)、外圈、滾動(dòng)體及保持架的故障問題。因此,初步判斷為前軸承外圈松動(dòng)跑圈[4]。

2.2 模態(tài)測試分析

通過以上分析,初步判斷異常原因?yàn)榍拜S承外圈松動(dòng)跑圈。為進(jìn)一步驗(yàn)證,本文對4臺(tái)樣機(jī)的軸系(轉(zhuǎn)軸+轉(zhuǎn)子)軸向平動(dòng)模態(tài)進(jìn)行了測試對比,通過對比模態(tài)頻率的大小可以對比出支承剛度的大小,進(jìn)而判斷出前軸承外圈是否松動(dòng)。

原理如下:外殼體與軸系之間通過前、后軸承支承,前、后軸承內(nèi)圈與轉(zhuǎn)軸過盈配合,外圈與軸承室通過金屬膠水固結(jié)。因此,理論上,考慮軸系-外殼體軸向相對平動(dòng)模態(tài),軸系與外殼體可以簡化成如圖6所示的模型。圖6(c)表示最終的集總簡化模型,則軸向平動(dòng)模態(tài)頻率可按式(1)計(jì)算。圖6(a)表示正常狀態(tài)下的簡化模型,其軸向總剛度由前、后軸承軸向剛度并聯(lián)而成,可由式(2)計(jì)算。圖6(b)表示前軸承外圈松動(dòng)狀態(tài)下的簡化模型,此時(shí)前支承剛度由前軸承剛度及波墊剛度串聯(lián)組成,則其軸向總剛度可由式(3)計(jì)算。表達(dá)式如下:

(1)

ka=ka1+ka2

(2)

(3)

式中:M為外殼體部分質(zhì)量;m為軸系質(zhì)量;ka為軸向總剛度;ka1為后軸承軸向剛度;ka2為前軸承軸向剛度。

圖6 軸系-外殼體軸向平動(dòng)模態(tài)簡化模型

深溝球軸承的軸向剛度量級(jí)一般在107～108N/mm[5],而波墊的剛度量級(jí)一般在102～103N/mm[6]。因此,當(dāng)前軸承外圈松動(dòng)時(shí),前支承剛度主要由串聯(lián)剛度中相對較小的波墊剛度決定,而總的軸向剛度就主要由并聯(lián)剛度中相對較大的后軸承軸向剛度決定,即式(3)可以簡化:

(4)

對比式(2)與式(4),考慮到前軸承基本尺寸更大,剛度相比更大,即當(dāng)前軸承外圈松動(dòng)時(shí),軸向總剛度比正常時(shí)要小2倍以上,對應(yīng)的模態(tài)頻率要小1.4倍以上,即為正常時(shí)的0.7倍以下。

因此,通過對比軸系相對外殼體軸向平動(dòng)模態(tài)頻率的大小可以明確地判斷出前軸承外圈是否松動(dòng)。

軸系-外殼體軸向相對平動(dòng)模態(tài)頻率通過錘擊實(shí)驗(yàn)得到,實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場如圖7所示。在電機(jī)軸伸前端面布置振動(dòng)加速度傳感器,使用沖擊力錘沿軸向敲擊軸伸前端面,可以得到軸系軸向的傳遞函數(shù)曲線,進(jìn)而識(shí)別出模態(tài)頻率。4臺(tái)樣機(jī)軸端加速度/力的傳遞函數(shù)曲線實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖8所示,識(shí)別出的模態(tài)頻率對比如表3所示?？梢钥闯?3臺(tái)異常樣機(jī)的模態(tài)頻率相比正常樣機(jī)要明顯偏低一半以上,驗(yàn)證了以上的理論分析結(jié)論,更加明確了該異常問題的原因?yàn)榍拜S承外圈松動(dòng)跑圈。

圖7 軸系錘擊實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場圖片

圖8 4臺(tái)樣機(jī)加速度/力傳遞函數(shù)曲線對比

表3 4臺(tái)樣機(jī)軸向平動(dòng)模態(tài)頻率試驗(yàn)結(jié)果對比

2.3 樣機(jī)解剖驗(yàn)證

通過以上振動(dòng)噪聲研究手段已經(jīng)明確了異常原因,為驗(yàn)證以上分析結(jié)論,特對異常樣機(jī)進(jìn)行了解剖分析。圖9為4#樣機(jī)的解剖照片,另外2臺(tái)異常樣機(jī)也存在相同情況,在此不再一一羅列。

圖9 4#樣機(jī)解剖照片

從圖9可以看出主要異常點(diǎn):1)解剖時(shí)前軸承沒有粘在軸承室內(nèi)而是隨轉(zhuǎn)軸拆出,說明軸承與軸承室松脫或粘接不牢,正常樣機(jī)拆解時(shí)軸承會(huì)粘住軸承室內(nèi);2)從前軸承外圈表面看,膠水基本都被刮落到后端面,外圈前部基本無膠水痕跡,中后部有較淺膠水痕跡,也說明膠水用量不足;3)波墊的3個(gè)波峰處存在明顯的漆面磨損痕跡,說明軸承外圈存在松動(dòng),發(fā)生相對轉(zhuǎn)動(dòng)即跑圈情況。

因此,通過異常樣機(jī)的解剖分析,驗(yàn)證了以上的實(shí)驗(yàn)與理論分析的結(jié)論。

3 改進(jìn)措施與驗(yàn)證

通過以上分析,造成聽感異常的原因是伺服電機(jī)前軸承外圈跑圈,而造成跑圈的主要原因是前軸承外圈與軸承室的膠水被刮落及膠水不足。結(jié)合電機(jī)結(jié)構(gòu),改進(jìn)措施如下:1)完善涂膠工藝,分別在軸承室的前、中、后三段和軸承外圈的前半段涂抹一圈膠水,隨著軸承的裝入帶動(dòng),膠水均勻分布于配合面上;2)控制前軸承裝入前軸承室時(shí)的對中精度控制,避免偏心,導(dǎo)致一側(cè)間隙過小刮落膠水。

圖10 5臺(tái)樣機(jī)加速度/力傳遞函數(shù)曲線對比

根據(jù)以上研究,通過錘擊實(shí)驗(yàn)獲取軸系軸向平動(dòng)模態(tài)頻率并進(jìn)行對比可以快速識(shí)別是否存在軸承松脫的問題。因此,對改進(jìn)工藝之后隨機(jī)抽取的4臺(tái)樣機(jī)(編號(hào)5～8#)進(jìn)行了錘擊實(shí)驗(yàn),傳函曲線對比如圖10所示,軸向平動(dòng)模態(tài)頻率識(shí)別結(jié)果如表4所示?？梢?改進(jìn)后,4臺(tái)樣機(jī)軸向模態(tài)頻率基本與正常1#樣機(jī)相當(dāng),可以判斷改進(jìn)有效。另外,對4臺(tái)樣機(jī)進(jìn)行了運(yùn)行聽感體驗(yàn)確認(rèn),反饋無異常。

表4 4臺(tái)工藝改進(jìn)軸向平動(dòng)模態(tài)頻率實(shí)驗(yàn)結(jié)果對比

4 結(jié) 語

本文針對某型伺服電機(jī)小批過程中反饋的噪聲異常聽感問題,通過噪聲振動(dòng)研究手段定位出了異常原因主要由前軸承外圈松脫跑圈導(dǎo)致,并通過解剖驗(yàn)證。最后,提出了改進(jìn)方案,并通過軸系模態(tài)頻率測試對比驗(yàn)證了改進(jìn)方案的有效性。

通過本文研究,總結(jié)如下:

1)針對該異常問題,通過測試電機(jī)聲功率總值對比,并不能區(qū)分樣機(jī)是否異常;需要進(jìn)一步結(jié)合噪聲頻譜對比分析確認(rèn);

2)該機(jī)型出現(xiàn)前軸承外圈跑圈時(shí),在頻譜上主要體現(xiàn)出630～1 250 Hz頻段噪聲整體偏高,且伴隨有±0.2、±0.4倍頻的噪聲、振動(dòng)能量;

3)當(dāng)出現(xiàn)軸承跑圈時(shí),軸系的軸向總支承剛度會(huì)降低一半以上,軸系-外殼體軸向平動(dòng)模態(tài)頻率會(huì)降低到正常水平的0.7倍以下。通過錘擊實(shí)驗(yàn)獲取軸向平動(dòng)模態(tài)頻率進(jìn)行對比,可以有效識(shí)別出是否存在軸承外圈松脫,可作為產(chǎn)線質(zhì)檢手段。