基於動態特性（xìng）分析的（de）機床主軸裝配故障診斷（duàn）硏究（上）
2017-7-13 來源：北京交通大學 作者：李凱旋
摘要:機床的發展和技術水平直接反映了一（yī）個（gè）國家機械行業的發展趨勢，映射著一個國家工業化水平的（de）高低。主軸箱作為機床的一個重（chóng）要組成部分，在保證機床處於大負荷切削狀態下持（chí）續穩定運行等方麵起（qǐ）著重要作用。主軸箱在滿足使用要求之前，為了避免裝配過程後的故障問題，需要進（jìn）行反複的安裝調試。國內從業人（rén）員將主要精力放在機（jī）床結構優化、切削性能改進等方麵上，對裝配工藝的研究不夠重視，對相（xiàng）關領（lǐng）域的研究也不夠深（shēn）入；有的工人在機床裝配過程中也未嚴格（gé）執斤裝（zhuāng）配工藝規程。因此，針對機床主軸箱區域的裝配故障檢測研究是很（hěn）有意義的。本（běn）文Ｗ南通科技集團的主流產品ＶＣＬ８５０立式加工中也為研巧（qiǎo）對象，在充分調研南通機床現有裝配（pèi）工藝的基礎上，結合南（nán）通機（jī）床（chuáng）在裝配方麵的經驗積累，在工況（kuàng）下，針（zhēn）對機床（chuáng）主（zhǔ）軸箱（xiāng）的裝酷故障進行了檢（jiǎn）測及分析，具體內容如下；
首先，對機床主軸箱（xiāng）區（qū）域的主要常見裝配（pèi）故障類型進行了深入調研與研究（jiū），並利用ＬａｂＶＩＥＷ設計了針對主軸箱區（qū）域的測試係統，包（bāo）括：主軸（zhóu）的軸也軌跡測（cè）試，主軸箱區（qū）域的振（zhèn）動信號測試。巧（qiǎo）麵便於操作，具有濾（lǜ）波（bō）降噪、時頻域（yù）分析、軸私軌跡測試、相位檢測、故障類型識（shí）別等功能。
然後，為確（què）定（dìng）機床主軸箱不同故障所表現的時頻域信號特征，在（zài）轉子實驗台上針對動不平衡、角度不對中、鬆動等裝配故障進（jìn）行了模擬試驗，其次對ＶＣＬ８５０立式加（jiā）工中（zhōng）也的主軸箱進行了在線測試，基於模態動能法與有效獨立法的原理針對王況下的（de）傳（chuán）感器進行優化布置（zhì）。對工況下的機床原始信號進行降噪（zào）濾波處理，並基於兩種（zhǒng）巧ＶＤ法、不變矩法）不同的識別方法，實現了主軸箱區域裝配故障類型的（de）判定。
最後，基於傳遞（dì）路徑分析的原理（lǐ），對主軸箱區域故（gù）障源位（wèi）置進行判定。首先利用ＡＮＳＹＳＷｏｒｋｂｅｎｃｈ對主軸箱區域進行了故（gù）障源（yuán）位置識別的仿真分化從頻響函數的角（jiǎo）度建立了（le）主軸箱區域的傳遞函數矩陣，對傳盛器進行布置，獲取測試（shì）點的響（xiǎng）應信息，解析確（què）定（dìng）故障源的（de）位置。論證了其方法的可行（háng）性。然後開展實驗，利用ＬＭＳ數據采集係統（tǒng）通過兩種不同的巧勵方式對某機械結構的故（gù）障源位Ｓ進巧識（shí）別，有效碗定了故（gù）障源（yuán）的具體位置。
關鍵詞：故陣（zhèn）診斷；軸也軌跡識別；故（gù）隨源識別（bié）；傳遞函數
１.緒論
１．１論（lùn）文背景與硏究意（yì）義
本論文來源於清華大（dà）學精密儀器（qì）與機械學係與南（nán）通（tōng）科技數控（kòng）機床技術聯合研（yán）發中屯、開展的合作項目。
立式加工中必的特點在於（yú）其主軸軸線與工作（zuò）台垂直設置。立式加（jiā）工中也因其發展較早，技術比較成熟，同時（shí）具有高速、高精度等特點，因而在中小零件及中小模具加工中具有不可替代的優勢化（huà）中國的數控機床經曆了凡十年（nián）的發展，己經（jīng）取得了長足的進步。中低端數（shù）控機床己經基本滿足了國內需求，但是在離端領域，我（wǒ）國與歐日美等國家相比，差距顯著，裝配對產品可靠性的影響非常濕著，國肉（ròu）機床領域的從業人員（yuán）和研巧人員將主要精力放在機床結構優化（huà）、切削性能改進等方麵上，對機床（chuáng）裝配工（gōng）芝的（de）研巧不夠重視，對相（xiàng）關領域的研（yán）巧也不（bú）夠深入。由於機床在裝配和（hé）調試技術方麵的短板，國產機床在定位精度、機床的動態特性上與國外還有（yǒu）很大差距，產（chǎn）品的壽命周（zhōu）期也遠低於（yú）國（guó）外（wài）口］，這些都是國產高檔機床市場占有率不商（shāng）的（de）重要原因。當前數（shù）控機床的生（shēng）產模式屬於多品種小批裏，數控機床製造企業的裝配車間大多采用半自動裝配或純手工裝（zhuāng）配的方式，基於這種裝配方式（shì）的（de）特點，下幾個（gè）方麵導（dǎo）致了機床在裝配環節可能會存在故暗隱患。
（１）人為因素，裝配操作工人（rén）的素質參差不齊，會對機床裝配故障的造成很大影響，進而對機床的綜合性能也會產生影響。
（２）裝配零部件本身的（de）特性。裝配零部件（jiàn）的幾何誤差、表麵粗簷（yán）度Ｗ及材料剛度屬性（xìng）等方麵對機床的裝配精度亦有影響。
（３）機（jī）床裝配（pèi）過程和裝（zhuāng）配完（wán）成後的檢測手段。由於機床在（zài）裝巧過程和裝配完成後的測裏方式往往采用半（bàn）自動（dòng）或手動的測量方（fāng）式，測（cè）量方式（shì）並沒有執行統一嚴格的標準，且限於測量工（gōng）具自身的（de）檢測水平，同樣會對機床在（zài）後續工（gōng）作巧態（tài）下（xià）的故睹發生產生影響（xiǎng）。
（４）其他因素。此外，機床製造廠家在裝配機床過程中，有些外購部（bù）件在不能及時到貨的情況下，為了（le）不影響裝配進（jìn）度，？不得不更改裝配（pèi）順序，操作工人在裝配現場（chǎng）為了自身的方便，也會出現（xiàn）不嚴格執行裝配工藝規程的現象（xiàng）；機床（chuáng）在（zài）安裝地點的精度指標與出廠預驗收的精（jīng）度保持一致也是難Ｗ做到的。
國（guó）內機床製造廠家為了提商機床性能，通常關鍵部件采用國外產品，南通化床生產的ＶＣＬ８５０立式加工（gōng）中也，主軸、滾珠絲杠副、線性導軌均為外購。盡管這些零部件自身的製造精度滿（mǎn）足要求，似裝配完（wán）成後，機床（chuáng）性能尤其在工況下的定位精度、動（dòng）態特性上遠不及園外的同類產品．美國哈（hā）斯公（gōng）司生產的ＶＦ－３型立式加工中屯、巧ＶＣＬ８５０立式加工中屯、作對比，兩者在機床結構布置方式上（shàng）大致相（xiàng）近。化（huà）起在技術參數指標上者差距明思，ＶＣＬ８５０立式加工中屯、的定位精度０．０１ｍｍ，重複定位精度０．００５ｍｍ，而ＶＦ－３係列立式加Ｘ中屯、的定位精度０．００５ｍｍ，重複（fù）定（dìng）位精度（dù）０．００２５ｍｍ。因此在加工精度上，ＶＣＬ８５０立式（shì）加１中屯、還有（yǒu）很大的（de）提升空間。另外在高速狀態下，ＶＣＬ８５０立式加工中（zhōng）屯、的穩定性要弱於ＶＦ－３型立式加工中（zhōng）也。南通（tōng）科技的機床裝配工藝規程（chéng）長期１＾：＞１來主要依靠工人的現場工作經驗巧累，研（yán）發（fā）設計人員並沒有采用實驗的手段，需要通過量化數（shù）據去（qù）支持論證機床裝配Ｘ藝流程的合理性。機床部（bù）件裝（zhuāng）配的累積誤差會影響到機床的加工精度口由此（cǐ）可化（huà），基於裝配工藝角度來對機床進行研巧分析，對於提高機床的動態特性意義很火。圖１－１為某數按（àn）機床的故障原（yuán）因統計圍。
圖１－１某數挖機床的故障（zhàng）原因統計圖（tú）
綜上所述，從裝配（pèi）角度對機床主軸箱進行（háng）檢測，將化床裝配故障問題類型化，故睹源位（wèi）置具體化，可為裝配工人在機床在裝配過程中遇到（dào）的（de）故（gù）障問題提供指導性意見，方（fāng）便工人迅速查找故障源；從長遠（yuǎn）上說，還可ｌＵ為（wéi）後續建立的化床智能故障監測係統提供（gòng）相（xiàng）關的技術儲備。
１．２國內外硏究綜述
１．２．１化床主軸箱（xiāng）故隨診斷（duàn）技術（shù）
主軸箱的裝配是機床的重要一環，主軸（zhóu）箱各部件的製造精度（dù）Ｗ及它們之間的裝配故障將直接影響機床的加工性能。一旦機床主軸箱區域的相關部件裝配不達標，卻未予及時發現，將可能導致某些昂貴部（bù）件造成不可修複的損失。從（cóng）先期（qī）的機床組裝階段，針對機床主軸箱（xiāng）各部件的裝配進行（háng）相關檢測及分析，能夠在（zài）機床出現放障之前及早的發現問題來源，可避免不必要的經濟損失。針對主軸箱的故障診斷，一般經曆Ｈ個階段：設備原始數（shù）據的巧集及獲取、對原始（shǐ）數據（jù）進行預處理提取有用成分、對處理數據進行（háng）特征識（shí）別與（yǔ）類型匹配。為了便於觀察主軸箱的故障類型，一般將傳感器（qì）放（fàng）置在主軸附近，觀察主軸的（de）運轉情況。
現有文獻針對機械設備在工（gōng）作過程中出現失（shī）效（xiào）時的故障（zhàng）機（jī）理、特征等（děng）方麵（miàn）開展了大量的研巧，專口（kǒu）針對機床主（zhǔ）軸（zhóu）箱（xiāng）的（de）裝配（pèi）故障開展研巧的相關文獻並不多，但是針對不同檢測對象的研巧策略是（shì）相似（sì）的（de），進行故障診斷的方法手段（duàn）是相通的（de）。故障診斷技術的研巧內容主耍包括：故障信號的檢測與采集、設備巧態監測方（fāng）法研（yán）究（jiū）、故障機理的研究、機械故（gù）障（zhàng）信息處理技術（shù）、故障特征提取與分析化研巧領域的詳細劃（huá）分如圖１－２所示。
困１－２旋轉機械狀態監測及故時診斷（duàn）技術
針對機床主軸箱故障診斷的研巧，楊（yáng）樹蓮Ｗ利用可變回轉角度階比分（fèn）析的方法對機床主軸故障特（tè）征進行提取，收到了良知的效果。馮（féng）冬芳Ｐ１通過（guò）頻譜分析的方法利用主軸軸承的（de）振動信號（hào），對主（zhǔ）軸進行故掩診斷，並確定了軸承端蓋的預緊力（lì）區間。周蘇波Ｗ對機床主軸的軸也（yě）軌進進行在（zài）線測試，發現機床主軸箱存（cún）在動不平衡的裝配故障。商榮Ｍ利用小波（bō）奇異性對主軸箱的振動（dòng）信（xìn）號進行處理，消去了外界喚聲對切削狀態下監測係統的幹擾，同時還可Ｗ對機械故障信號進行預測，達到了提（tí）高電主軸使用壽命的目的。
１．２．２故障信（xìn）息處理技術
故障信息處理技術通常由（yóu）故障信號的檢（jiǎn）測、分析處理兩部分構成，檢測的常見信號類型包括：流量、噪聲、電流、溫（wēn）度、振動、壓力、電壓等，分析處理就是對這些信號進（jìn）行放大、濾波、去噪、調理、解（jiě）調變換等，進而提取出對故障特征識別有用的信息。故障信號去噪是對故障特征提取與（yǔ）分析之前的一個必要環節，傳統的（de）去噪方法主要包括線性濾波和非線性（xìng）濾波，其中的典型代表是中值（zhí）濾（lǜ）波和Ｗｉｅｎｅｒ濾波。傳統去噪方法的不足在於信（xìn）號變換後的炯増高，無法刻畫信號的非平穩特性（xìng）並見無法得到信號的相關性（ＩＷ１。在信（xìn）號去（qù）噪方法研究的（de）早期過程中，由於受到理論方（fāng）法的限製，從振動信號中去除外部噪聲幹擾主要采用傳統去噪方法，取（qǔ）得了－？些研究成果（guǒ）。１９８１年王祖榮提出了一種（zhǒng）將係（xì）統進一步簡化（huà）為滿足文泰濾波（bō）條件定常係統的簡化非線性濾波方法。１９８７年（nián）陳關榮ｎｓ］研究了非線性動態及（jí）觀（guān）測係統濾波問（wèn）題的一種樣條函數遞推算法。隨（suí）著科（kē）技的發展，許多先（xiān）進的去噪技術例如小波變換、ＨＨＴ變換（huàn）、ＥＭＤ分解（jiě）等先後出現。在機械故障診斷領域獲得了實際應（yīng）用，取得了很好的科研成果。１９９８年傅瑜對小波理（lǐ）論（lùn）在若（ruò）幹旋轉機械設備故障診斷中的實際應用問題開展了研巧。２００４年胡峰等學者利（lì）用小波降噪的方（fāng）法提取故障（zhàng）信號（hào），並（bìng）用ＡＲ模型進行譜估計，確定齒輪的故障類型及嚴重程度。２００８年劉樹（shù）春等Ｗ研究了基於二代小波的振動信號去噪相（xiàng）關技術。２０１３年孟宗等（děng）Ｗ提出（chū）了一種解（jiě）決ＨＨＴ分析中模態裂解現象的方法，即基於快速獨立（lì）分（fèn）量分析消噪的ＨＨＴ分析方法，仿真與實例結果表明，該方法（fǎ）能（néng）有效（xiào）抑製ＨＨＴ過程中的模態裂解現（xiàn）象，有效（xiào）提取信（xìn）號的特征頻率，進而實現旋轉機械（xiè）故障診斷。
１．２．３故摩特征提取與分析技術
故障特征提取局分析技術是當前故睹診斷的瓶頸，直接影響到故障早期預報的可靠性（xìng）與機（jī）械故障診斷的準確性。故障診斷信息處理技術研巧的主要（yào）內容（róng）包括時間序列分（fèn）析、統計分析、傳遞函數分析、相關分析、頻譜分（fèn）析、相幹分析（xī）、細化譜分析、包絡分析、模態（tài）分析和倒譜（pǔ）分析等，其理論基礎是數理統計和隨機過租氣（qì）傳統的故睹特征（zhēng）提取與分析技術主要基於傅（fù）立葉分析，傅裏葉變（biàn）換與反變換建立了信號（hào）在時間域與頻率域之間相互轉化的橋梁，提供了信號（hào）的時域分析和頻域分析兩種方法。因此，傳（chuán）統的故（gù）障特征提取方法主要分為時域分析方法和頻域（yù）分析（xī）方法（fǎ）兩大類ＰＷＩ１，１９８３年埃什爾曼等腳利用波動分析儀對電動機（jī）同步和非（fēi）同步過程（chéng）進行了時（shí）域方麵的分析。陳瑞琪等口１人於１９８５年利用聲強分（fèn）析儀及頻率分析（xī）儀係統對（duì）紡機錠子和氣流紡（fǎng）紗（shā）高速軸承組件的振動、噪聲進行頻（pín）譜分析，了解兩者的主頻（pín）率及相互關係。１９９２年艾延廷等ｔｗ對齒輪故障檢測（cè）中時域分（fèn）析技術的實現過程、齒輪故障的特征波形及特征參數（shù）進行了討論（lùn），並引證了應用時域分（fèn）析技術檢測齒輪故障的實例。
在Ｗ振（zhèn）動信號為化（huà）態（tài）變量進行故障診斷時（shí），由於設備運轉的不平穩、外在負（fù）荷的交替（tì）變（biàn）化（huà）、不確定性的衝擊等因素導致振動（dòng）信（xìn）號（hào）並非始終是平穩的，從而使基於平穩過（guò）程和線性係統的傳（chuán）統信號處理理論的應用受到限（xiàn）製Ｐ５１。傳（chuán）統的傅立葉變換從頻域角度分析振動信號的特征信息，僅適用於對平穩信號的分析，在處（chù）理非平穩信號（hào）時（shí）會出現很（hěn）大誤差，甚至與（yǔ）實際情況大相徑庭。隨著現代信號處理技術的發（fā）展和（hé）逐漸成熟，人們開始研究新的信（xìn）號（hào）處理（lǐ）方法提取故障特（tè）征信息ＩＷ。其，中具有代表性的方法如小波分析（簡（jiǎn）稱ＷＡ）、獨立分量分析（簡稱ＩＣＡ）、主分量分析（簡稱（chēng）ＰＣＡ）、經驗模態分（fèn）解（簡稱（chēng）ＥＭＤ）、隱Ｍａｒｋｏｖ模（mó）型（簡稱ＨＨＭ）等（děng）。林京（jīng）等學者ｉｎ］建立了基於連續小波變換的奇（qí）異性檢（jiǎn）測方法（fǎ），並將（jiāng）這種方法應用在壓縮巧氣閥的故障（zhàng）診斷中，充分顯示了該方法的有效性。張生對某巧輪箱進行故（gù）障診斷，模態分析中的固有頻率和振型作為識別故（gù）暗的重要參數特征，胡勁鬆口９］利用經驗模態分解的方法應用到旋轉機械信號處理與故隋診斷，為非線性和非（fēi）穩態的故障分（fèn）析與（yǔ）診斷給（gěi）出（chū）了（le）一條新的途徑。下啟全等學者口Ｗ提出了基於因子隱Ｍａｒｋｏｖ模型的旋轉機械故障診斷方法，而且利用這種方法對旋轉機械的故障（zhàng）實現了進行（háng）了有效的分類（lèi）。
１．２．４故膊源位置識別技術
機床存在機械故障（zhàng）時，必定會衍生出（chū）額外的激勵、噪聲。工（gōng）程技術（shù）人員通過信號檢測技術對故障源進行位置判定，進而針對性的機（jī）械結構進（jìn）行調整，解決機械故障問題（tí）。從這個角度（dù）上說，故陣源識別（bié）技術的（de）應用（yòng）前景廣（guǎng）泛。故障（zhàng）源識別（bié）技（jì）術最初主要應（yīng）用在汽車領域，隨著科（kē）學技（jì）術的（de）不（bú）斷發展（zhǎn），逐漸應（yīng）用到船舶、機床、飛機（jī）、鐵道（dào）等領域。從６０年代開始，隨著計算機的迅（xùn）速發展，有限元網格劃分的精細程度和計算精度逐步提高，出現了與Ｍ動（dòng）嗓聲緊密（mì）相關的計（jì）算分析理論巧（qiǎo）軟件。目前較為主流的有限元分析巧件代表（biǎo）有；ＡＮＳＹＳ、ＡＢＡＱＵＳ、ＭＳＣ－振動測試類的產品有（yǒu）饑（jī）公司（sī）的數據采集卡係列（liè），其中比利時的ＬＭＳ公司的測試（shì）係統是ＮＶＨ領域的行業領導者，應懷（huái）樵教授創建的（de）北京東方振動和噪聲技術研巧所在國內也有一定（dìng）的聲譽（yù）。
國內（nèi）外對故陣（zhèn）源識別的方法有分步（bù）運巧消去法，頻（pín）譜分析法，即相幹函數法（fǎ），層次分析法，傳遞路徑分析法（ＴＰＡ），統計能＊法等ＰＯ＇Ｗ，主（zhǔ）成分分析法．獨立分量分祈法（fǎ）等等。在此僅介紹前Ｈ種方法。
１．分步（bù）運轉（zhuǎn）法
分（fèn）步運轉消去法即對一個複雜的機（jī）械（xiè）係統進行故障源識別時（shí），首先在同一部位，不同時間下，對係統的總體振動噪聲響應進行測試，然後逐（zhú）步關閉係統的各個故障源，與此同（tóng）時測試關閉故障源後的（de）振動噪聲（shēng）響應，根據疊加原理，確（què）定各個故障源對係統總體的貢（gòng）獻大（dà）小。這種方法簡單，便於直觀發現問題。但（dàn）實際工作中複雜的機械係統，各個故障源往往鍋合在一起，難Ｗ單獨開啟關閉某一故障源，因此針對複雜的機械係統，分布運轉（zhuǎn）消除法無（wú）法解決實際問題。
２．頻譜分析（xī）法
額譜分析（xī）法（fǎ）即在頻域對故障源進行識別，一般不同（tóng）的振動（dòng）噪聲故障源具有不同的頻率（lǜ）特性。可通過頻（pín）譜分析，依據幅值大小主觀判定故障源的（de）貢獻大小。但由於機（jī）械結構（gòu）自身的（de）動態特性（xìng），幅值最大的（de）區域並非總（zǒng）是故障源區域，這（zhè）種依據是不（bú）成立的。
３．相幹分析法
相幹分析法（fǎ）作為－－種比較成熟的（de）技術廣泛應用到了振（zhèn）動噪聲領域，Ｐ．Ｒ民〇化１９７１年在有背景噪聲的情況下，利用（yòng）常相幹分析方法正確識別了（le）噪聲源（yuán）。Ｍ．Ｃａｌｉｓｋａｎ利用相幹分（fèn）析用於紡織機（jī）的瞬時噪聲源識別，與傳統方法得（dé）到的（de）結果相（xiàng）同，證（zhèng）明了相幹分析可同（tóng）樣適用於故障源識別（bié）１＂１。國內對相（xiàng）幹分析的研巧始於上個世紀８０年代，吳浩珪等人於１９９５年利用相幹分析法確定了某柴油客車的主要噪聲源，並進行了後續的（de）降噪處理Ｗ。張衰（shuāi）維等人Ｗ利用自功率譜分析與相幹分（fèn）析技術，對某台內燃（rán）叉車的液力變速箱進（jìn）行測試分析，找到了（le）該變速箱產生噪聲的主（zhǔ）要來源。
４．傳遞路徑分析法
傳遞路（lù）徑分析（ＴＰＡ）是指通過試驗來跟蹤（zōng）由源經過一係（xì）列己知結構或空氣傳播路徑傳遞到指定接收點能量流的（de）分析方法。其目的在於評價由振動源到響應點每個路徑能量的矢裏貢獻，從而確定為了解決特定的（de）問（wèn）題，路徑上哪些部件需要（yào）修改，或者通過（guò）結構優化設計（jì）使部（bù）件得到理想的特性。於上個世紀９０年代開始發展起（qǐ）來，如今在機械故陣診（zhěn）斷、部件性能改進、振動噪（zào）聲源識別等方麵得到了很（hěn）好（hǎo）的應（yīng）用，己經被國外汽車ＮＶＨ領域廣泛認同並且己經商用化，國內也開始興（xìng）起。比利時的ＬＭＳ公司的ＬＭＳＴｅｓｔｌａｂＴｒａｎｓｆｅｒＰａｔｈＡｎａｌｙｓｉｓ軟件在汽車領域得到了廣泛好評與普遍應用，ＬＭＳ公司在空氣聲定量識別、多（duō）參考點（diǎn）傳遞路徑分（fèn）析、王況傳遞經分析等方麵（miàn）積累了大量成（chéng）功（gōng）案例。Ｋ．Ｇｅｎｕｉｔ等人Ｗ利用雙通道傳遞路徑分析模型對（duì）車內進行聲學診斷；福特公司（sī）的ＰｅｒｒｙＧｕ等人對巧（qiǎo）態振動狀態（tài）下的車內振動巧聲進行了定＊分析，Ｇｒｙａｎａｒｏｒａ等人利用傳遞路徑分析法對路麵噪聲（shēng）對車內貢獻的影響進行了分析等等。目前國內開展傳遞路徑分（fèn）析研巧的單位主要（yào）Ｌ：；高校和科研院所為主，吉（jí）林大學、同濟大學、上海交通大學（xué）Ｗ及長安汽研院在這方麵做出了（le）不錯的成績，並且應用到了很多領域。吉林大學的起（qǐ）形航ｔ＂］利用傳遞（dì）路徑分析法較完（wán）整地分析了車內振動噪聲的傳遞路（lù）徑，建立了車內振動噪聲傳遞模型，並對主（zhǔ）要（yào）的傳遞（dì）路徑進行分析，取得了很好的預期效果（guǒ）。同濟大學的郭榮等（děng）［４＊１對（duì）燃料電池（chí）轎車車內噪聲的傳遞路徑進（jìn）行了（le）分析研究，在怠速工況（kuàng）下對車內噪聲進行傳遞路徑測試試驗，識別得出了主要（yào）傳遞路徑。長（zhǎng）安汽車工程研巧院李傳兵等人用傳遞路徑分析的相關軟件，針對（duì）某新車型的車內噪聲問題進行了傳遞路徑分析，找（zhǎo）到了對車內噪聲影響最（zuì）大的傳遞路徑，針對性地對部分部（bù）件進行結構優化，有效地消除了運行狀態下的車內噪聲問（wèn）題。總體上說國內的高校和研（yán）．究機構對傳（chuán）遞路徑分析方法的研究（jiū）應用還處於（yú）摸索前進階段。
１．３論文主要硏究內容
機床部（bù）件裝配的累（lèi）積誤差４影響到機床（chuáng）的加工精度本論文針對某立式加工中（zhōng）屯、的主軸箱在（zài）裝配出（chū）廠階段（duàn）進行質（zhì）量檢測及分析，將（jiāng）機械故（gù）障診斷的理論和方法應用於工廠實際生產中，這種探索與嚐試，對現場工人進行機床質量檢驗和機床裝配工（gōng）藝規程的不斷（duàn）改進具有指導意義。另外，本論文所開展的工作也為（wéi）後續針對機床的自動監測與診斷係統的（de）開（kāi）發積累了資料素材。本論文的主要研巧內容如下；
（１）在研巧ＶＣＬ８５０立式加工中也主軸箱的部件組成、裝配特點的基礎上，結合（hé）ＶＣＬ８５０立式（shì）加工中也的裝配王藝規（guī）程（chéng）等相關資料，分析主軸箱（xiāng）在安裝過程中可能存在（zài）裝配故障的區域（yù），並對其故障機理進行了探討分析。
(2）結合測（cè）試方案和要求，選用（yòng）合適的傳感器、數據采集卡，利用ＬａｂＶ圧Ｗ軟件進行編程，構建針對主軸箱區域的測試係統。實現基於相（xiàng）關分析的濾波降噪功能、相位測量功能，頻域（yù）分（fèn）析（xī）功能（néng），基於ＳＶＤ法、不變矩法的軸也（yě）軌跡識別功能。
（３）利用轉子實驗台，對動不平衡、角亭不對中、鬆動等Ｈ種不同類型的裝配故障進行模巧實（shí）驗（yàn），並結合相關文獻，初步確定Ｈ種不同類型裝配故（gù）巧的信號特征表現形式。
（４）結合模（mó）態動能法與有效獨立法，針對主軸箱（xiāng）在工作激勵下如何實現傳感器的優化布置開展研巧，為機械故席診斷前期（qī）如何優化布置傳感器提供了一種新的思路。
（５）對空轉狀態下的主軸箱區（qū）域振動信（xìn）號（hào）進行采集，對振動信號進行降巧處理分析裝配主軸箱（xiāng）故（gù）障原因；對主軸（zhóu）運行狀態下的軸屯、軌跡進行檢測，並基於ＳＶＤ法、不（bú）變矩法對主軸（zhóu）的軸（zhóu）屯、軌跡進行識別方法（fǎ）分析，軸也軌跡作為判定不（bú）同主要（yào）的裝配故障類型（xíng）的信號指標，實現對不同主要的裝配故（gù）障（zhàng）類型的分類識別。
（６）基於（yú）傳迸路徑（jìng）分析的原理，對不同裝配故障產生的異常故障源位置進行判定：首先介紹故障源識（shí）別采用的主要方法，然後利用ＡＮＳＹＳＷｏｒｋｂｅｎｃｈ仿真軟件（jiàn）實現對主軸（zhóu）箱故障源位置的識別，最終開展實驗論證這種故障源（yuán）位置識別方法的可行（háng）性。
２.ＶＣＬ８５０主軸（zhóu）箱主（zhǔ）要的裝配故障機理分析（xī）
本次實驗的實驗對象ＶＣＬ８５０立式加工中如（如圖２－１所示）是南通（tōng）機床（chuáng）自主開發的一款高檔通用的（de）自動化機床，配裝了刀庫容量為２４把刀的機械手刀庫，可完成（chéng）較、統、鑽（zuàn）、錯（cuò）、攻絲等（děng）多種工序的（de）切削加工。
圖２－１ＶＣＬ８５０立式加工中私
本論文（wén）的研巧重點（diǎn）為（wéi）ＶＣＬ８５０立式加工中屯、的主軸箱區域。ＶＣＬ８５０立式加工中（zhōng）也主軸箱（xiāng）區域的裝配圖如圖２－２所示。主要包括主軸箱、主軸電機，同步齒形帶，主（zhǔ）軸、等相（xiàng）關（guān）配合部件。
圖２－２主軸巧裝巧巧
在機床出廣階段，由於裝配不（bú）當會導致機床在（zài）後續工作中出現不同類型的（de）機械（xiè）故（gù）陣在工作狀態下，化床所表現出不同形式的（de）信號特征可指導檢測人員判定故障（zhàng）原因。不同振動（dòng）類（lèi）型及表現形式（shì）如圖２－３所示，簡單描述了不同（tóng）振（zhèn）動類型所表現的信號特征：
圖２－３不同振動類型及表（biǎo）現（xiàn）形式
自激振動（dòng）是由機床自身結（jié）構決定的（de），在機床出廠階段，受迫（pò）振動則《是由裝配（pèi）不當造成的。因此需要對ＶＣＬ８５０進行模態分析，排（pái）除自激振動的幹擾。ＶＣＬ８５０的轉速區間在（zài）４８？１２０００巧ｍ，對應頻（pín）率為１？２００Ｈｚ，首先對ＶＣＬ８５０的主軸箱進行模態分（fèn）析（xī）仿真，排除機床工（gōng）作頻率是否在自激振動的區（qū）間。取六階模態，通過ＡＮＳＹＳＷｏｒｋｂｅｎ化得（dé）到仿真結果，其前（qián）六階固有頻（pín）率（lǜ）和對應的模態振型如表２－１所示，
表２－１模態仿真（zhēn）分析結（jié）果
表2.1 ＶＣＬ８５０主（zhǔ）軸箱主要的裝配故障（zhàng）機理分析
可Ｗ看到主軸箱（xiāng）區間的一階固有頻率在２６３．１６Ｈｚ，證明ＶＣＬ８５０在工作轉（zhuǎn）速範圍內產生的故障不是由自激（jī）振動造成（chéng）的。
下麵主要介（jiè）紹ＶＣＬ８５０立式加工中屯（tún）、主軸箱區域（yù）在工作轉速下的常見的幾種裝（zhuāng）配故障類（lèi）型：
２．１動不平衡故（gù）障
動不平衡是大型旋轉機械最為常見的故障類型之一。對機床主軸箱進行裝配時，主軸係統的組件（jiàn）之（zhī）間的安裝不當（dāng），導致產生配合間隙。安裝刀具（jù）時，刀具係統（刀具一刀柄）與主軸錐孔的配合（hé）不良（liáng），都會（huì）在運轉過程中產生動不平（píng）衡。主軸安裝（zhuāng）之前，對主（zhǔ）軸自身（shēn）進行動（dòng）平（píng）衡試驗是十分重要的一環，主軸箱整體裝配完（wán）成之後，能夠實現（xiàn）對動不平衡的在線測試，可１＾更為（wéi）徹底的（de）檢測（cè）動不平衡問（wèn）題。主軸與刀具（jù）係統的安裝如圖２－３所示。
圖２－４主軸與刀具的配合
如圖２－５為轉子動不平衡示意圖，動不平（píng）衡主要表現（xiàn）在一個旋轉體的質量中屯、０與（yǔ）轉動中也０＇不重合，導致轉子在運轉過程中（角（jiǎo）速度為Ｗ）形成了周期性的（de）巧屯、力Ｆ或者（zhě）離屯、力矩的幹擾，作用在機組及其相關部件，加劇旋轉機械的振動，同時產生噪聲，在一定程度上加速了軸承等（děng）部件的磨（mó）損，縮短了機（jī）組的使用壽命。離也力Ｆ的大小與偏屯、距ｅＷ及旋（xuán）轉角（jiǎo）速度似（sì）有關（guān），即：
就機床主軸箱區域來說，相關安裝部件自身的製造公（gōng）差、部件安裝不當、長時（shí）間運行後導致主軸係統產生（shēng）很大溫升（shēng）、長期使用導（dǎo）致部件磨損、等都是造成主軸動不（bú）平衡的主要原因口２１。
圖２－５轉子動不平衡（héng）示意圖（tú）
如圖所示，Ｏ為轉子的轉動中屯、，公（gōng）為轉子的質量中必，ｅ為偏屯（tún）、距，ｗ為｝｜轉子角速度，０為偏屯（tún）、夾角。若考慮（lǜ）阻尼的影響，則轉子運動微分方程（chéng）為：
動不平（píng）衡下的（de）轉子在運轉過程中在Ｘ、ｙ方（fāng）向的振幅並不一定相等。
２．２不對中故障
針對主軸箱而（ér）言，電機通過同步內齒帶與（yǔ）主軸連接，張緊力施加的（de）不合理，極有（yǒu）可能（néng）造成主軸、電機偏角不對中的情況發生（shēng）。
轉子不對（duì）中的實際含義是指軸係連接同，。度和平直度的偏差故障１？１。造成轉子不對中問題的原因主要有轉子相關部件的製造誤差、安（ān）裝誤差或者（zhě）長時間使用造成的熱變形等因素。轉子不對中可分為偏角（jiǎo）不對（duì）中、平行不對中和偏角平行（háng）不對中Ｈ種，可看到電機通過同步內（nèi）齒帶輪連接主軸。主軸與電機的配合簡圖如（rú）圖（tú）２－６所示。
圖２－６主軸與電機（jī）配合簡圖
圖２－７電機、主軸角（jiǎo）速度一周（zhōu）期內的變化
２．３碰摩故障（zhàng）
ＶＣＬ８５０立（lì）式加工中屯、的主軸箱（xiāng）剖麵圖如圖２－６所示。主軸與電機通過同步內齒帶輪連接，裝（zhuāng）配工（gōng）人依靠經驗將調整螺釘實現對帶輪的張緊，由於調整不當（dāng），帶輪張緊力過大，會影響到間隙（xì）配合的位置，產生碰摩的裝配故障。
定子轉子碰（pèng）摩（mó）是旋（xuán）轉機械的常見故障，由於安裝不當影（yǐng）響了定子轉子的間隙誤差，導致轉子（zǐ）和（hé）定子間的摩擦（cā）事故經常發生，同時（shí）由於工況變動或過大的軸向推力，都有可能導（dǎo）致碰摩ＩＷ。圖２－８為碰摩力學模型圖。
圖２－８碰（pèng）摩力（lì）學模型
碰摩是轉子在轉動一（yī）周後（hòu）與定子部件上的（de）某區域發生接觸碰撞導致彈性變形及摩（mó）擦熱效應（yīng）的情況。Ｋ，為（wéi）定子與轉子之間的等效剛度，將Ｃ和分解（jiě）到徑向的碰（pèng）撞力和切向的摩擦為（wéi）／；，則有：
摩故障發生。
力碰摩產（chǎn）生的接（jiē）觸力足Ｗ改變轉子軌跡的運動方（fāng）向，這時動定子的接觸（chù）點不一定是固定的，其振動響應值應為各接觸點法向力的平均值之（zhī）和１巧。
２．４鬆動（dòng）故障
如圖２－９所示，兩處分別為電機主（zhǔ）軸箱結合部與（yǔ）主軸與主軸箱結合部。
圖２－９主軸箱結合（hé）部
主軸箱區域（yù）分布著（zhe）大量螺拴，部件安裝（zhuāng）通過螺栓連接起到定位、緊固的作用。由於安裝質量不髙及長期的振動都會引起結合部位（wèi）的鬆動故（gù）障，影響到主軸（zhóu）及電機的正常運行（háng）及（jí）安全。
如圖２－１０為主軸與電機栓接處力學（xué）模型，表示主軸，表示電機，Ｃ表示傳送帶，剛度阻尼模型等（děng）效為其緊（jǐn）固（gù）、定位（wèi）作用的螺栓連接處。
圖（tú）２－１０主（zhǔ）軸箱結合部力學模型
轉子運（yùn）行時的微分方程（chéng）為：
由於係（xì）統剛度、阻尼的不穩定，工作狀態下的機（jī）械結構呈現嚴重（chóng）的非線性問超，發生鬆動部位的振動信（xìn）號特征複雜多變（biàn）。
２．５本章（zhāng）小結（jié）
本章首先對ＶＣＬ８５０立式加工中（zhōng）屯、的結構特點進行了簡要介（jiè）紹，並證明（míng）了故（gù）障原因不是由於自身的結構特點造成（chéng）的。重（chóng）點分析了ＶＣＬ８５０主（zhǔ）軸箱可能存在裝配故障的區域，對（duì）幾種主要裝配故障（動不平衡故（gù）障、不對中故（gù）障、鬆動故障、碰（pèng）摩故障）的內在機理進行了詳細闡述；為接下來對ＶＣＬ８５０主（zhǔ）軸箱（xiāng）區域的故障信號檢測提供理論支撐（chēng）。
投稿箱：
如果您有機床行業、企業相關新聞稿件（jiàn）發表，或進行資（zī）訊合作（zuò），歡迎聯係本網編輯部， 郵箱：skjcsc@vip.sina.com
如果您有機床行業、企業相關新聞稿件（jiàn）發表，或進行資（zī）訊合作（zuò），歡迎聯係本網編輯部， 郵箱：skjcsc@vip.sina.com
更多本專題新聞
名（míng）企（qǐ）推薦
專題（tí）點擊前十
| 更多
