抛光机磨头的故障

1前言 
　　 
　　磨头是抛光机中的关键性工作部件，它的工作状态直接影响到加工工件的质量。目前抛光机存在的主要问题是磨头振动过大，易造成整台设备的振动和噪声，也使得加工工件的质量不稳定。本文根据抛光机磨头的工作原理，对信号进行了功率谱分析，找出了磨头振动过大的主要原因。 
　　 
　　 
　　2磨头的振动机理 
　　 
　　抛光机在工作时，磨头电机输出转距依次通过皮带轮、轴、连轴器、齿轮等来带动凸轮作回转运动。凸轮通过滚轮对主动摆杆施加运动。一方面，由于凸轮的展开曲线为波浪形曲线，它的高、低点之间有高度差，使得凸轮压迫滚轮在垂直方向作往复直线运动；另一方面，由于主、从动齿轮之间存在转速差，使得凸轮与主动摆杆、滚轮之间存在转速差，即凸轮与滚轮之间存在相对转动。这两个分运动使得主动摆杆一边绕主轴作回转运动，一边绕摆杆轴作摆动，并带动被动摆杆以及六个磨块、磨块座作同样的摆动和回转运动。由于凸轮的曲线设计不合理，凸轮与滚轮接触时有径向滑移，以及摆杆的加工精度没有达到设计要求，导致凸轮曲面与滚轮接触时动态不平衡，最终导致磨块在磨削工件时的动态不平衡。 
　　 
　　3磨头振动测试系统的组成 
　　3.1 硬件组成 
　　(1) 信号获取部分 
　　加速度传感器 —— 获取检测点的振动信号，并将测得的物理量转换为电量 
　　电荷放大器 —— 将电量进行放大 
　　磁带记录仪 —— 将电荷放大器输出的信号记录下来 
　　频谱分析仪 —— 在现场对信号进行监测，也可以对信号进行FFT、时域、频域分析 
　　（2） 信号处理及故障诊断部分 
　　波谱仪 —— 对信号进行A/D转换，进行FFT相关分析、谱分析等 
　　计算机 —— 应用matlab语言对信号进行各种运算、分析和显示运算结果 
　　3.2 软件组成 
　　（1） 信号采集处理软件：本试验采用Vib'sys振动信号采集、转换、处理和分析软件，采集合适的信号样本，提取故障特征信息，对其进行各种分析处理。 
　　（2） 故障诊断软件：用matlab语言编程，建立图形用户界面，对采集的数据进行计算和分析。 
　　 
　　4新磨头和故障磨头的振动测试 
　　 
　　主要研究试验磨机的新磨头和故障磨头分别在2kg和4kg压力下的工作状态。传感器的位置分布如图2所示。 
　　 
　　 
　　5磨头故障分析 
　　 
　　 
　　用Welch法估计功率谱密度，它是用改进的平均周期图法来求取随机信号的功率谱密度。现场监测表明：在0～4kHz的频率范围内集中包含了磨头振动信号的信息。根据采样定理，对新磨头采用8kHz的频率进行采样，结果如图3、图4所示。 
　　由图4 可见，新磨头的振动能量主要集中在800Hz以下，因此取分析频率范围0～1000Hz，采样频率为2000Hz重新进行分析。 
　　 
　　图5、图6为新磨头分别在4kg、2kg压力下的标准自功率谱图。在不同的工作压力下，功率谱图在约2Hz处均有峰值，与凸轮、滚轮冲击频率相吻合；此外,峰值较小，表明新磨头的凸轮与滚轮的运动冲击不明显。 
　　有关文献指出^[2]，齿轮传动信号频谱中，可能出现齿轮啮合频率及其谐频。经计算齿轮的啮合频率为321.17Hz，轴频为7.83Hz，可能出现的谱峰值有：啮合频率＋1倍轴频＝329.00Hz，对应图中的328.92Hz；啮合频率＋3倍轴频＝344.66Hz，对应图中的343.75Hz，以及它的2倍倍频成分687.50Hz。上述峰值较小，表明齿轮工作状态良好。 
　　由于交流电产生的工频信号为50Hz，图中50.89Hz、50.76Hz、101.56Hz、150.72Hz、201.34Hz、250.00Hz、300.78Hz分别约为工频的1～6倍，这些信号是电磁干扰信号。 
　　图7、8是故障磨头在4kg、2kg压力下的波形图。由图可以看出：故障磨头的波形为梳齿状冲击信号，波形明显不同于正常磨头。对故障磨头作功率谱图分别如图9和图10所示。 
　　 
　　由图中可见：不同工作压力下的故障磨头的功率谱在2Hz处均有较大峰值，约等于凸轮与滚轮的冲击频率，反映凸轮与滚轮的冲击振动是磨头的主要故障源。为此对磨头进行解体，经检查发现，凸轮端面与滚轮接触处形成的轨迹有一道很深的压痕，证实了凸轮摆动机构的运动存在较大的冲击。 
　　问题的症结发现以后，通过对凸轮曲线进行改进设计，同时重点对摆杆的加工工艺进行了改进，由原来的立式钻床加工改为数控机床加工，减小了摆杆的形位公差，保证了凸轮摆杆机构的装配精度。改进后的抛光机磨头运行时振动和噪声大幅度降低。 
　　 
　　6结论 
　　 
　　（1） 对合格新磨头与故障磨头在试验磨机上进行了振动对比实验。合格的新磨头，其振动信号在时域内正负对称，无低频成分；在频域内，其频率成分在高频部分。 
　　（2） 故障磨头的振动信号，时域内正负不对称，冲击较强、呈梳齿状。当压力为2kg时，冲击表现出断续的特点；当工作压力较大时（4kg），振动出现约2Hz的低频信号。在频域内，低频（2Hz）信号的能量相对高些，但整个谱图能量分布在1Hz内，反映了冲击信号的特点。 
　　（3） 分析表明：凸轮与主动摆动杆滚轮的冲击频率约为2Hz，它与故障磨头振动的高能量低频信号相吻合，说明故障磨头的凸轮摆动机构制造或装配不理。通过对凸轮曲线进行改进设计、提高摆杆的加工精度后，在消除振动和降低噪音方面取得了很好的效果。