邓晓云
摘要：本文简述应用状态监测和故障诊断技术对数控机床实行状态维修的科学性、合理性和经济性。介绍了大连机车车辆厂对数控机床开展状态维修的具体情况及典型的成功事例。
关键词：数控机床；状态监测；故障诊断；状态维修
大连机车车辆厂是目前国内最大的内燃机车生产和出口基地，在生产的关键环节引进了大量数控机床。如何使数控机床处于最佳运行状态，降低故障发生率和维修费用，获得最大的经济效益，是亟待解决的一大课题。
从1997年开始，该厂引进美国ENTEKIRD公司的状态维修系统，对数控机床等关键性生产设备的状态维修进行了探索，取得了良好的经济效益。状态维修是指在对设备进行状态监测和故障诊断的基础上，根据设备运行的具体状态，采取适当措施的维修方式。与传统的定期维修相比，状态维修不仅更科学、合理，而且能给企业带来可观的经济效益。
一、数控机床状态维修的实现
大连机车车辆厂早在1990年就着手开展状态监测和故障诊断工作，厂机动处配备了专职故障诊断工程师，建立了班组、车间、工厂三级设备故障诊断网络。1997年购置了美国ENTNKIRD公司的DEL数据采集器和PM预测维修系统软件，以进口数控机床为先导，应用振动分析方法进行状态监测和故障诊断，使设备维修由定期预防维修向状态维修转变。
1．测试系统的基本配置
测试系统由加速度传感器、DEL数据采集器和信号分析软件组成。
2．监测与诊断方案
(1)采用定期的离线监测方式。
设备运行正常情况下，监测周期为每月一次，若发现设备运行状态不佳，随时增加监测次数。
(2)监测参量的选取。
低频类故障（如不平衡、不对中等）诊断时，选取位移参量；高频类故障（如滚动轴承、齿轮箱故障等）诊断时，选取加速度参量；宽频带内设备的总体状态检测时，选取速度参量。
(3)测点位置的选取。
测点位置的选取应遵循传递路径最短，测点刚度最大两条原则。在对旋转机械进行振动检测时，测量转子振动是首选，但在不具备条件时，可以选择在轴承座上安装传感器。每一测点测量水平、垂直和轴向三个方向。每次测点必须固定。
(4)测试工况。测试工况定为机床空转。
几年来，通过对全厂数控机床进行定期状态监测，建立了设备状态监测数据库，通过幅值趋势分析，掌握设备运行状态的发展趋势。在积累大量监测数据的基础上，用统计方法建立该类设备诊断标准和报警值。对异常设备进行故障诊断，判定产生故障的原因和部位，预测故障发展的趋势。先后成功地预测诊断出转子不平衡、不对中、基础松动、轴承和齿轮缺陷等多种类型故障，为检修提供了可靠依据。
二、典型案例
1．充分挖掘设备潜力，延长设备使用寿命
MC1210数控加工中心系日本牧野公司制造，用于加工柴油机汽缸盖，1986年投产，虽早已到大修期，但因运行状态良好，一直在用。自1997年9月起，对该加工中心的主传动系统实行状态监测和故障诊断。系统结构简图及测点布置如图1。
图1MC1210加工中心主传动
系统结构简图及测点布置
频谱分析显示，3#测点的速度频谱图中有第Ⅲ轴的轴频fⅢ=67.5Hz及二、三次谐波，但幅值很小，诊断为联轴节因磨损产生轻微不对中；包络分析未发现故障频率，说明主传动系统内部各零件没有缺陷，可在定期监测的基础上继续使用。
1999年5月，在机床振动突然增大、加工精度超差的情况下才决定大修。图2为1#测点水平方向的振动趋势图。频谱分析显示，3#测点的速度频谱图中第Ⅲ轴的轴频fⅢ及高次谐波幅值增大，谐波数量增加，且二倍频幅值大于一倍频，如图3所示。诊断为因联轴节磨损严重，造成平行不对中；包络分析仍没有发现故障频率，说明主传动系统内部各零件仍无缺陷。经拆机检查，齿轮完好，可继续使用；主轴轴承虽有磨损但并无缺陷，联轴节的键与键槽磨损严重，与诊断结果吻合。
图21#测点垂直方向振动速度趋势图
图3大修前3#测点垂向振动速度频谱图
2．准确诊断突发故障部位和原因，有针对性地进行维修
曲轴是机车柴油机的关键部件，主轴颈的表面质量是曲轴的一项重要考核指标。M1380B曲轴主轴颈磨床是德国产数控磨床，用于曲轴主轴颈最后的磨削加工。因主轴颈表面磨削后出现螺旋纹，导致产品质量不合格。为查找原因，进行了振动测试和故障诊断。
初步分析主轴颈表面螺旋纹由振动造成，振源来自磨头和主轴部分。经测试，磨头运行平稳，振动强度不大，而主轴部分振动强度偏大，因此重点对主轴部分进行振动测量和信号分析。主轴系统结构简图及测点布置如图4所示。
频谱分析发现，各测点均有50Hz的频率成分，电机上5#、6#测点幅值最大。50Hz是电源频率，正常情况下直流电机的谱图不应该有此频率及其高次谐波，由此可以判定电机发生故障。电机故障产生的振动传递到主轴，引起主轴振动所致。根据诊断结果，只拆下电机检修就排除了故障，使维修成本最低。
图4M1380B曲轴主轴颈磨床主轴系统结构简图及测点布置
表1为1#测点维修前后水平、垂直、轴向的振动速度幅值对比，维修后的振动速度幅值大致减小到维修前的一半。
图5、图6为1#测点维修前、后水平方向振动速度频谱图，图6中50Hz频率成分消失。
3．对有故障征兆的设备跟踪监测，提前储备备件，做好维修准备DOISMCNC82连杆齿型磨床系德国ELB公司制造，用于加工连杆与端盖结合面牙口，全厂独此一台，1987年投产至今，一直未大修。1997年9月起对主轴系统进行定期监测。
图5维修前I#测点水平向振动速度频谱图
图6维修后1#测点水平向振动速度频谱图
2000年3月在3#测点的加速度包络谱图中发现有156.75Hz频率分量和高次谐频，恰与计算所得的后轴承外圈的故障特征频率相同，说明该轴承外圈出现缺陷。决定缩短测试周期，监测故障发展趋势，并抓紧准备备件，安排维修，以免发生突发事故。
参考文献：
陈克兴等．设备状态检测与故障诊断技术．北京：科学技术文献出版社，1991.
昊震球．振动故障分析.ENTEKIRD科学公司．