□ 辛慶偉 □ 周大朝 □ 邢諾貝 □ 劉福軍 □ 許黎明

上海交通大學(xué) 機械與動力工程學(xué)院 上海 200206

1 研究背景

隨著傳動技術(shù)的發(fā)展,電主軸的整體水平越來越高,其精度保持能力、壽命及可靠度指標都得到大幅提升,故障間隔時間往往超過數(shù)千小時?，F(xiàn)行電主軸可靠性驗證主要有定時截尾試驗、可靠性強化試驗等,定時截尾試驗需要面對試驗期間無故障出現(xiàn)的問題,可靠性強化試驗通常多用于試驗研發(fā)階段激發(fā)產(chǎn)品的潛在缺陷。電主軸可靠性試驗通常需要對選取的樣本采用專用模擬加載裝置進行配合試驗,多用于產(chǎn)品接收階段或者研發(fā)階段,難以運用到實際生產(chǎn)中。為此,筆者對加工中心的電主軸進行在機加速加載試驗,開展對電主軸在機可靠性試驗和評估的研究。

要實現(xiàn)電主軸的在機可靠性試驗和評估,需要解決兩個主要問題:① 選取和采集能夠反映電主軸性能退化的特征量;② 通過性能退化數(shù)據(jù)評估電主軸的失效時間。

加速退化試驗最早于20世紀80年代被提出。Lu Jye-Chyi等[1]最先提出利用產(chǎn)品的性能退化量開展可靠性試驗及評估。趙建印等[2]基于性能退化數(shù)據(jù),對累積損傷過程下的產(chǎn)品退化失效進行了建模分析。遲玉倫等[3]利用聲發(fā)射傳感器采集電主軸性能退化數(shù)據(jù),對電主軸進行可靠性研究。蔣喜等[4]將退化理論應(yīng)用于電主軸的可靠性研究,得到電主軸的偽失效壽命,以此來進行可靠性評估。在性能退化數(shù)據(jù)收集方面,鄔再新等[5]應(yīng)用LabVIEW軟件開發(fā)了高速電主軸試驗臺數(shù)據(jù)采集系統(tǒng),實現(xiàn)了在試驗臺上對電主軸試驗過程中電流、轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速等主要參數(shù)的采集。陸建明等[6]研發(fā)了數(shù)字化數(shù)控機床主軸測試系統(tǒng),集成了各類檢測功能,實現(xiàn)了電主軸測試數(shù)據(jù)采集的實時性和精確性。電主軸性能退化特征量的選擇一般基于對電主軸失效機理的分析。張玥等[7]分析了潤滑系統(tǒng)的故障情況,并提出了改進措施。王紅軍等[8]選擇電流作為電主軸性能退化量,建立了電主軸性能退化模型。邱榮華等[9]將徑向跳動作為退化量進行可靠性試驗,但由于電主軸樣本量較少,在可靠性指標的評估上存在一定難度。文獻[10-12]對小樣本情況下的電主軸可靠性評估進行了一定研究。

上述工作大多是在試驗臺上進行,試驗時間和成本較高,且對于性能退化的電主軸在機可靠性加速試驗還缺乏研究。為此,筆者針對可靠性試驗過程中的電主軸性能退化數(shù)據(jù)進行采集和分析,克服以往試驗時間長、失效數(shù)據(jù)量少的困難,利用在機試驗節(jié)約試驗成本,并利用韋布爾分布對同類型電主軸的可靠性進行評估,驗證在機電主軸可靠性評估方法的有效性。

2 電主軸性能退化量選取

電主軸性能退化的主要表現(xiàn)形式有電主軸精度超標、電主軸振動、異響、軸承溫度升高、電主軸功率增大等,其中,電主軸的精度保持性直接影響零件的加工質(zhì)量,是決定機床性能的重要指標。

筆者的試驗對象為轎車動力總成加工中心的電主軸,工作特點是轉(zhuǎn)速快、受力復(fù)雜。電主軸在加工過程中主要受扭矩、彎矩、不規(guī)則徑向力、軸向力等切削載荷作用,在長時間切削累積載荷影響下,會出現(xiàn)電主軸軸承組磨損、點蝕等疲勞損壞,切削加工過程中的沖擊會造成軸承組、轉(zhuǎn)子等配合松動,這些影響最終會導(dǎo)致電主軸在高速旋轉(zhuǎn)過程中穩(wěn)定性變差,徑向跳動增大,加工零件質(zhì)量超差,以及振動、異響超標等。切削載荷對電主軸電機的影響主要表現(xiàn)在電主軸功率增大、電主軸加速時間變長、定子線圈工作溫度上升等方面。電主軸性能退化通常都是漸變的過程,呈現(xiàn)出一定的變化規(guī)律。

在電主軸性能退化量的選取上,要滿足以下兩個條件:所選擇的退化量基于電主軸失效機理分析,能夠隨著電主軸性能的退化一起漸變;所選取的性能退化量應(yīng)該具有明確的定義。通過對電主軸性能退化機理分析,發(fā)現(xiàn)電主軸的性能退化大多表現(xiàn)為電主軸精度、振動、負載電流及溫度變化,最終選擇電主軸前端徑向跳動、電主軸前后端軸承振動信號作為性能退化量。

3 數(shù)據(jù)采集

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)應(yīng)該滿足以下條件:① 可以設(shè)定性能退化數(shù)據(jù)采集的試驗條件,如轉(zhuǎn)速、刀具、加載量等,保證試驗過程的一致性;② 多種性能退化數(shù)據(jù)同步采集;③ 自動觸發(fā)數(shù)據(jù)采集、標記和保存;④ 傳感器布置方便,且安裝穩(wěn)定。

電主軸傳感器位置布置如圖1所示,電主軸性能退化數(shù)據(jù)采集和處理流程如圖2所示。電主軸的振動、徑向跳動、負載電流等性能退化量數(shù)據(jù)采集要在相同條件下進行,即電主軸轉(zhuǎn)速、夾載刀具類型、進給速度等加工工況要前后一致。在電主軸可靠性加速試驗中,采集加載過程中電主軸運轉(zhuǎn)比較穩(wěn)定階段的數(shù)據(jù),減小信號受到的干擾。對電主軸性能退化量數(shù)據(jù)進行處理后,預(yù)測出電主軸性能失效時間。

▲圖1 電主軸傳感器位置布置▲圖2 電主軸性能退化數(shù)據(jù)采集和處理流程

4 數(shù)據(jù)處理方法

采集徑向跳動和電主軸前后軸承振動信號,對電主軸的性能退化進行評估預(yù)測。徑向跳動和加載試驗初始徑向跳動之比稱為徑向跳動比,其閾值設(shè)定為Trout。當(dāng)徑向跳動比大于閾值時,即認為電主軸出現(xiàn)性能失效,記一次故障。對于振動信號,采用一種小波包能量偏移算法來評估退化趨勢,能量偏移度閾值設(shè)定為Tes。當(dāng)能量偏移度大于設(shè)定閾值時,即認為出現(xiàn)性能失效。

能量偏移度計算方法如下:通過小波包進行j層分解,得到2j=M個頻域段,能量值Ei為:

(1)

原始信號能量值Er為:

(2)

歸一化處理后得到振動信號的特征向量T為:

(3)

假設(shè)電主軸初始狀態(tài)振動信號的能量特征向量為[p1,p2,…,pM],在機試驗過程中電主軸前后軸承處振動信號的特征向量為[f1,f2,…,fM],則電主軸能量偏移度λ為:

(4)

基于上述算法對電主軸加速加載試驗得到的數(shù)據(jù)進行處理,得到電主軸能量偏移度。對計算得到的電主軸能量偏移度和徑向跳動變動率數(shù)據(jù)進行線性擬合,得到電主軸性能退化趨勢,根據(jù)設(shè)置的失效閾值預(yù)測電主軸性能失效時間。

根據(jù)電主軸在機可靠性加速試驗采集到的性能退化數(shù)據(jù),得到電主軸三個性能退化量的特征退化趨勢,如圖3所示,回歸方程列于圖中。

根據(jù)技術(shù)要求,試驗中閾值Trout設(shè)定為1.6,Tes設(shè)定為0.3。在生產(chǎn)中,普遍認為徑向跳動比達到1.6表征電主軸性能出現(xiàn)嚴重退化,能量偏移度達到0.3表征電主軸已經(jīng)出現(xiàn)點蝕、裂紋等嚴重故障。對應(yīng)徑向跳動、前后軸承振動退化量擬合結(jié)果,得到加速試驗條件下電主軸性能失效時間分別為536 h、751 h、570 h,選擇最短的性能失效時間536 h,作為電主軸可靠性加速試驗出現(xiàn)性能失效的時間。在此基礎(chǔ)上,通過確定電主軸可靠性加速試驗加速因數(shù),計算正常工況下電主軸的等效失效時間。

設(shè)加速因數(shù)為k,有如下關(guān)系式:

TN=kTA

(5)

式中:TA和TN分別為加速和正常載荷譜下加載時間。

根據(jù)逆冪律定律和疲勞累積損傷原理[13],可得:

(6)

式中:[SA]為加速試驗單位時間內(nèi)在載荷PA作用下電主軸受到的損傷;[SN]為正常使用情況下單位時間內(nèi)在載荷PN作用下電主軸受到的損傷;me為載荷對損傷的影響因子。

根據(jù)疲勞累積損傷原理,在載荷的作用下,電主軸受到的疲勞損傷是不斷累加的,各個載荷彼此之間不產(chǎn)生影響,當(dāng)載荷累加到臨界值時,就會產(chǎn)生疲勞損壞。

電主軸在一定載荷譜循環(huán)時間段內(nèi),加速和正常載荷譜下產(chǎn)生的總損傷SA、SN分別為:

(7)

(8)

對照載荷譜,進行歸一化處理后得到當(dāng)量累積損傷[SA]和[SN],即在單位時間內(nèi)按照試驗載荷譜和實際載荷譜加載所產(chǎn)生的損傷:

(9)

(10)

式中:Pn為額定載荷。

根據(jù)累積損傷原理,兩種載荷譜造成的損傷一致,于是有:

▲圖3 電主軸性能退化量特征退化趨勢

[SA]TA=[SN]TN

(11)

進而可得:

TN=[SA]/[SN]=kTA

(12)

載荷譜等級劃分規(guī)則如下:0～3%額定載荷為空載,3%～30%額定載荷為輕載,30%～70%額定載荷為中載,70%～100%額定載荷為重載。按照劃分規(guī)則對機床實際加工過程受到的載荷進行劃分,得到機床實際載荷譜。

機床加速試驗載荷譜如圖4所示,實際生產(chǎn)載荷譜計算得到加速因數(shù)k為10.56。加速試驗下根據(jù)性能退化量預(yù)測電主軸性能失效時間為5 660 h。

5 電主軸可靠性評估

通過實際收集到的同類型電主軸性能故障數(shù)據(jù)計算可靠性指標,與所預(yù)測的電主軸性能失效時間進行對比。

大量研究發(fā)現(xiàn),機械產(chǎn)品的故障間隔時間服從兩參數(shù)韋布爾分布。累積分布函數(shù)F(t)為:

▲圖4 機床加速試驗載荷譜▲圖5 機床實際生產(chǎn)載荷譜

(13)

式中:m為形狀參數(shù);η為尺度參數(shù);t為故障時間。

概率密度函數(shù)f(t)為:

(14)

可靠度函數(shù)R(t)為:

(15)

電主軸平均故障間隔時間的點估計MTBF為:

(16)

因此,只要求出m和η的估計值,就可以估算出電主軸的故障間隔時間。

利用最小二乘原理來確定韋布爾分布參數(shù),對式(13)取對數(shù):

(17)

令:

(18)

x=lnt

(19)

A=-mlnη

(20)

B=m

(21)

依據(jù)最小二乘原理:

(22)

(23)

(24)

(25)

得到韋布爾分布的參數(shù)估計值:

(26)

(27)

表1 同類型電主軸故障數(shù)據(jù)

6 結(jié)束語

筆者基于電主軸的性能退化量和自動化數(shù)據(jù)采集系統(tǒng),提出一種電主軸在機可靠性試驗和評估方法。應(yīng)用這一方法,可以在電主軸使用現(xiàn)場進行試驗,在軟件中設(shè)置參數(shù)后自動實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集,對電主軸出現(xiàn)性能故障的時間進行預(yù)測。與同類型電主軸性能故障數(shù)據(jù)跟蹤統(tǒng)計計算的可靠性指標進行對比,兩種方法得到的結(jié)果有很好的一致性,驗證了在機可靠性試驗和方法的有效性。這一方法還可以進一步推廣應(yīng)用于電主軸運行可靠性監(jiān)測。