車床主軸箱(共4頁(yè))

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上本課題以齊重?cái)?shù)控裝備公司的重型臥式車床主軸箱為研究對(duì)象，該公司重型臥式車床產(chǎn)品類型眾多，由于所能加工工件不同而尺寸各異，但是通過(guò)調(diào)研發(fā)現(xiàn)該廠臥式車床主軸箱結(jié)構(gòu)基本類似，只是尺寸有所不同，這也為后續(xù)的研究工作開(kāi)展減小了障礙。該廠臥式車床主軸箱基本結(jié)構(gòu)如圖 2-1 所示，主軸箱實(shí)體外觀如圖 2-2 所示。主電機(jī)由彈性聯(lián)軸節(jié)與主軸箱軸連接，通過(guò)軸、軸、軸的傳動(dòng)軸齒輪逐級(jí)減速，最終動(dòng)力輸送到主軸，各傳動(dòng)軸都支承在滾動(dòng)軸承上。此外，主軸箱箱體為全封閉箱形厚壁結(jié)構(gòu)，整體剛度高，固有頻率高，抗震能力強(qiáng)，箱體內(nèi)采用油潤(rùn)滑。齒輪箱中的故障按照零部件的不同，可以分為齒輪故障、軸故障、軸承

2、故障等。其中齒輪的故障主要有齒面磨損、齒面擦傷、齒面接觸疲勞以及輪齒斷裂；軸承的故障按照發(fā)生位置不同可以分為內(nèi)圈故障、滾動(dòng)體故障、保持架故障和外圈故障34；軸的故障包括軸彎曲以及軸的不平衡和不對(duì)中。此外，作為裝配箱體，齒輪箱的主要裝配故障還有輪齒側(cè)隙過(guò)大、裝配松動(dòng)等。而對(duì)于重型臥式車床主軸箱裝配來(lái)說(shuō)，由于是新的待出廠機(jī)床，所以齒面磨損、軸承失效等故障并不存在，主要故障除了存在上述故障中的幾種之外，還有一些其它裝配完成后所產(chǎn)生的特有故障?？偨Y(jié)起來(lái)，主要有電機(jī)與軸在安裝時(shí)存在軸不對(duì)中，箱體內(nèi)各傳動(dòng)齒輪之間存在不對(duì)中，齒輪箱中個(gè)別傳動(dòng)軸的安裝存在裝配松動(dòng)，兩對(duì)嚙合的齒輪的齒側(cè)隙過(guò)大。為了后續(xù)更好的研

3、究和診斷故障，首先對(duì)于故障產(chǎn)生的原因、故障生成的機(jī)理以及故障存在時(shí)的特征進(jìn)行研究與確定。本課題研究的重型臥式車床的電機(jī)與主軸箱軸之間都是用聯(lián)軸器進(jìn)行連接，這種傳動(dòng)結(jié)構(gòu)的安裝過(guò)程中會(huì)伴隨著連接軸同軸度超差的故障，這種故障通常表現(xiàn)為軸線平行不對(duì)中與軸線角度不對(duì)中共存，如圖 2-3 所示。在出現(xiàn)連接軸之間同軸度超差時(shí)，從動(dòng)軸徑向振動(dòng)頻率為主動(dòng)軸轉(zhuǎn)頻的兩倍，而且隨著不對(duì)中角度的增加，轉(zhuǎn)速變化的幅度也越來(lái)越大35。此外，當(dāng)不對(duì)中現(xiàn)象存在時(shí)，一般都是軸線平行不對(duì)中和角度不對(duì)中同時(shí)出現(xiàn)，從動(dòng)軸徑向振動(dòng)出現(xiàn)二倍頻，而且不對(duì)中現(xiàn)象越嚴(yán)重，二倍頻所占的比例和幅值越大，并且一般情況下二倍頻的幅值都要高于一倍頻。其頻

4、譜圖線一般形式如圖 2-4 所示，其中 f 為主動(dòng)軸轉(zhuǎn)頻。在齒輪箱體的加工裝配過(guò)程中，常常會(huì)出現(xiàn)由于箱體加工誤差造成孔與孔之間的位置精度不滿足要求，而導(dǎo)致裝有嚙合齒輪的兩軸在裝配后不平行從而由于軸線不平行造成齒輪不對(duì)中。此外，齊重?cái)?shù)控重型臥式車床主軸箱中有的齒輪是通過(guò)花鍵與軸實(shí)現(xiàn)連接傳動(dòng)的。由于軸的同軸度超差以及齒輪加工時(shí)的同軸度超差，造成該齒輪與軸會(huì)出現(xiàn)裝配不正，造成的齒輪不對(duì)中。這兩種現(xiàn)象均會(huì)導(dǎo)致齒輪在齒寬方向所承受的載荷不均勻，傳遞動(dòng)力的平穩(wěn)性下降，也使得齒面上局部區(qū)域載荷增加，這種現(xiàn)象也被稱為“一端接觸”。這種不同軸裝配誤差示意圖如圖 2-5 所示。不對(duì)中齒輪會(huì)在嚙合頻率處產(chǎn)生帶有邊頻

5、帶的嚙合頻率振動(dòng)，而且有嚙合頻率的諧波出現(xiàn)，在二倍和三倍嚙合頻率處諧波的峰值還很高，甚至?xí)哂趪Ш匣l的峰值。此外，在各階諧頻的峰值周圍出現(xiàn)調(diào)制現(xiàn)象，調(diào)制頻率與該齒輪所在軸的旋轉(zhuǎn)頻率吻合，齒輪不對(duì)中的頻譜圖如圖 2-6 所示。在主軸箱裝配中，會(huì)出現(xiàn)裝配后相互嚙合的輪齒齒側(cè)間隙過(guò)大。因?yàn)辇X側(cè)間隙會(huì)對(duì)齒輪傳動(dòng)時(shí)的載荷變化產(chǎn)生影響，使得動(dòng)態(tài)特性與以前不一致，而造成齒輪系統(tǒng)振動(dòng)特性的變化，使得表征振動(dòng)特點(diǎn)的峰值頻率發(fā)生改變。當(dāng)齒側(cè)間隙過(guò)大時(shí)，在頻譜圖上除了有嚙合基頻的高次諧波外，還會(huì)出現(xiàn)嚙合基頻的分?jǐn)?shù)倍諧波36，其頻譜圖如圖 2-7 所示。2.1.2.4 軸承座安裝松動(dòng)在傳動(dòng)軸安裝的過(guò)程中，支承軸的軸

6、承是被安裝在箱體中的軸承座上，如圖2-8 所示。在安裝過(guò)程中，有可能存在由于軸承座連接螺栓安裝不緊造成的軸承座安裝松動(dòng)情況，一旦出現(xiàn)會(huì)導(dǎo)致箱體在工作時(shí)伴隨有強(qiáng)烈的振動(dòng)和噪聲，這樣就不能起到保證傳動(dòng)穩(wěn)定的作用。盡管這種故障在實(shí)際中出現(xiàn)的頻率較以上提到的幾種低，但是鑒于其對(duì)正常工況的嚴(yán)重干擾，還是需要對(duì)其進(jìn)行準(zhǔn)確診斷來(lái)排除。在安裝松動(dòng)出現(xiàn)時(shí)，在頻譜圖上除了出現(xiàn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)頻率 f 這一基本頻率，還會(huì)伴隨有 2f，3f，4f 等軸轉(zhuǎn)頻的高次諧頻，也會(huì)存在 f/2,2f/3,f/3 等基頻的分?jǐn)?shù)階頻率成分，而且這些頻率的幅值較正常工作時(shí)都有顯著增加，但是還是以旋轉(zhuǎn)基頻為主37。所以在診斷這種故障時(shí)要對(duì)各特征

7、頻率處的幅值綜合分析，頻譜示意圖如圖 2-9 所示。2.2 故障診斷原始數(shù)據(jù)獲取2.2.1 傳感器的選取本課題主要針對(duì)故障產(chǎn)生時(shí)伴隨的振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行分析，因此需要采集時(shí)域內(nèi)齒輪箱的振動(dòng)信號(hào)，以便用于后續(xù)的分析研究。因此適用于本課題采集系統(tǒng)的傳感器應(yīng)該可以對(duì)由于軸不對(duì)中、安裝松動(dòng)等裝配故障所引發(fā)的振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行拾取。此外，為了更好地在時(shí)域、頻域?qū)π盘?hào)進(jìn)行分析，還應(yīng)該對(duì)軸的轉(zhuǎn)速進(jìn)行測(cè)取。2.2.1.1 振動(dòng)傳感器通常速度、位移、加速度可以用以表征振動(dòng)的特性，因此相應(yīng)的速度傳感器、位移傳感器、加速度傳感器都可以用于對(duì)振動(dòng)量的測(cè)量38。速度傳感器測(cè)量的原理是進(jìn)行脈沖計(jì)數(shù)和測(cè)試物體切割磁力線的速度。而這兩種

8、測(cè)試形式可以分別用來(lái)測(cè)量角速度和線速度。速度傳感器的缺陷為處理低頻信號(hào)時(shí)的能力減弱，而重型臥式車床主軸箱主軸的工作轉(zhuǎn)速在 0125r/min,其傳動(dòng)軸的最高工作轉(zhuǎn)速為 600r/min，所以測(cè)試中要求傳感器在 10Hz 以下有較好的頻響特性，這顯然超出一般速度傳感器所能達(dá)到的指標(biāo)，所以這種類型的傳感器并不適合使用。位移的變化會(huì)使得位移傳感器中的電容、電感、光柵等器件的相應(yīng)參數(shù)產(chǎn)生改變，線位移和角位移的大小可以通過(guò)這些參數(shù)被測(cè)量。而微小位移的測(cè)量可以通過(guò)磁致伸縮等物理效應(yīng)實(shí)現(xiàn)，大范圍位移的測(cè)量可以利用光柵和編碼器等。這種傳感器在使用時(shí)需要在被測(cè)物體上有相對(duì)精確的固定，而這種固定往往需要一些特殊的

9、結(jié)構(gòu)和夾具實(shí)現(xiàn)。但是本課題所測(cè)試的都是機(jī)床廠用于出售的成品機(jī)床，機(jī)床型號(hào)系列、機(jī)床結(jié)構(gòu)安排已經(jīng)固定，留給我們改動(dòng)和發(fā)揮的空間很小，所以這種傳感器也不滿足現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境。根據(jù)牛頓第二定律可以知道加速度與力之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，將這種關(guān)系推廣，那么利用壓電效應(yīng)可以確定加速度與電壓信號(hào)的對(duì)應(yīng)關(guān)系。而且壓電效應(yīng)具有在其有效范圍內(nèi)線性好和靈敏度高的特點(diǎn)，另外，其頻率測(cè)量范圍可從 0.0001Hz 到1MHz，所以壓電加速度傳感器具有靈敏度高、頻譜帶寬等優(yōu)點(diǎn)。此外，加速度傳感器的安裝大多只需要與被測(cè)物體進(jìn)行貼合，一般采用的固定方法有利用黏合劑將其與待測(cè)表面粘合，或者利用磁力座等的外力作用將其固定，所以應(yīng)用中并不需要附

10、加復(fù)雜的機(jī)構(gòu)，使用方便。本課題采用美國(guó) PCB 公司的 356A16 型 3 軸向加速度傳感器，如圖2-10所示。其靈敏度為100mV/g,相應(yīng)的頻率范圍為0.55000Hz,量程范圍在50g，重量為 7.4g，在應(yīng)用時(shí)可以利用磁座粘接在軸承座端蓋處。2.2.1.2 轉(zhuǎn)速測(cè)試傳感器為了更好地將振動(dòng)信號(hào)中包含的故障信息篩選出來(lái)，需要了解測(cè)試時(shí)信號(hào)來(lái)源轉(zhuǎn)軸實(shí)際的旋轉(zhuǎn)速度，這樣能夠計(jì)算出相應(yīng)的各傳動(dòng)軸以及軸上零件可能出現(xiàn)故障所在的頻率，通過(guò)將這些信息與處理過(guò)的原始振動(dòng)信號(hào)相配合，可以診斷出主軸箱的故障。由于齒輪箱各傳動(dòng)軸上齒輪齒數(shù)可以通過(guò)查閱相應(yīng)機(jī)床的設(shè)計(jì)說(shuō)明書獲得，因此只需要了解動(dòng)力輸入電機(jī)的旋轉(zhuǎn)

11、速度即可。通過(guò)編碼器或者接近開(kāi)關(guān)原理制成的傳感器都可以用于轉(zhuǎn)速的測(cè)量。編碼器使用碼盤、編碼器的配合實(shí)現(xiàn)計(jì)數(shù)轉(zhuǎn)換以求取相應(yīng)軸的轉(zhuǎn)速。而接近開(kāi)關(guān)通過(guò)利用電容、電感或者光電信息的變化，來(lái)判斷物體的接近與離開(kāi)動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)計(jì)數(shù)求轉(zhuǎn)速的功能?？紤]實(shí)現(xiàn)的簡(jiǎn)捷性以及現(xiàn)場(chǎng)操作的方便性，本課題中使用已有的MVP-2C 型測(cè)試儀的轉(zhuǎn)速測(cè)試功能實(shí)現(xiàn)對(duì)轉(zhuǎn)速的測(cè)量。其測(cè)試?yán)瞄_(kāi)關(guān)原理，通過(guò)在電機(jī)軸上粘貼反光片，軸旋轉(zhuǎn)過(guò)程中，光信號(hào)每照射到反光片時(shí)都會(huì)被反光片反射，而這樣的反射出現(xiàn)、反射消失會(huì)激發(fā)光電傳感器產(chǎn)生脈沖信號(hào)。儀器通過(guò)對(duì)脈沖信號(hào)的分析能夠輸出轉(zhuǎn)速值，達(dá)到測(cè)試轉(zhuǎn)速的目的。這種方法簡(jiǎn)便、快捷，適合在現(xiàn)場(chǎng)的復(fù)雜環(huán)境操作，

12、使用儀器及測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)如圖 2-11 所示。2.2.2 采集系統(tǒng)在齊重?cái)?shù)控裝備股份有限公司，機(jī)床在裝配后出廠前都要進(jìn)行測(cè)試，其中很重要的一部分就是振動(dòng)測(cè)試，而且振動(dòng)測(cè)試的結(jié)果是工人進(jìn)行機(jī)床裝配調(diào)整的重要指導(dǎo)，因此這項(xiàng)工作已經(jīng)開(kāi)展很久，并且配備了很多先進(jìn)的儀器，積累了很多檢測(cè)的經(jīng)驗(yàn)。由于本課題的數(shù)據(jù)采集工作都在齊重?cái)?shù)控進(jìn)行，所以利用廠方提供的 LMS 測(cè)試儀器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集工作，它可以實(shí)現(xiàn)在多通道下應(yīng)用不同的采樣頻率在連續(xù)時(shí)間內(nèi)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集。此外，其控制、參數(shù)設(shè)置與調(diào)整均由安裝在 PC 機(jī)上的LMS.Test.Lab 軟件實(shí)現(xiàn)，操作方便快捷，能夠?qū)崿F(xiàn) 010KHz 采樣頻率的調(diào)整變化。LMS 信號(hào)采

13、集系統(tǒng)硬件配置和采集軟件界面如圖 2-12、2-13 所示。圖 2-12 為其硬件配置，傳感器的信號(hào)線與具有多通道接口的前置采集箱連接，且前置采集箱內(nèi)還有對(duì)原始信號(hào)進(jìn)行放大的模塊，能夠保證信號(hào)強(qiáng)度。前置信號(hào)采集箱與電腦連接，并且由電腦控制采集的參數(shù)設(shè)置、采集開(kāi)始與結(jié)束。圖 2-13為其信號(hào)采集軟件界面，圖中的三條曲線分別對(duì)應(yīng)三向振動(dòng)傳感器的 X、Y、Z 方向輸入實(shí)時(shí)信號(hào)。而采集時(shí)間、采樣頻率等參數(shù)設(shè)置在軟件右側(cè)工具欄中可以在采樣開(kāi)始前進(jìn)行修改設(shè)定，在采樣開(kāi)始后，系統(tǒng)對(duì)傳感器傳出的信號(hào)連續(xù)采集，在設(shè)定采集時(shí)間到達(dá)后，采樣停止。包括設(shè)定參數(shù)、傳感器信息、采集的數(shù)據(jù)信息等在采樣完成后都被記錄存儲(chǔ)到同

14、一個(gè)文件中，記為一個(gè) section，并且可以為每個(gè) section 輸入采集的機(jī)床型號(hào)、傳感器安放位置等注釋信息。而這些信息除了被存儲(chǔ)為 LMS 軟件可以讀取的文件格式外，還可以存儲(chǔ)為.txt、.mat 等其它軟件可以打開(kāi)的格式，這為課題后續(xù)對(duì)于采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理提供了可能。對(duì)于.txt 文件，文件開(kāi)頭羅列了此次信號(hào)采集的時(shí)間、采樣頻率、傳感器對(duì)應(yīng)方向、傳感器靈敏度、所使用的通道 ID 等信息，這些信息完整的記錄了某一次采集的所有屬性信息，之后是兩列數(shù)據(jù)，一列對(duì)應(yīng)采集的時(shí)間點(diǎn)，一列記錄相應(yīng)的數(shù)值，這些信息完整的記錄了某一次采集的時(shí)域信號(hào)。此外.txt 文件通用性好，可以利用 MATLAB

15、對(duì)其中數(shù)據(jù)進(jìn)行提取并且利用 MATLAB 提供的的工具箱和函數(shù)進(jìn)行處理，這為后續(xù)工作的開(kāi)展提供了方便。對(duì)于.mat 文件，Test.Lab 軟件將某一次采集的信號(hào)信息全部存儲(chǔ)到一個(gè)結(jié)構(gòu)體數(shù)組中，這個(gè)結(jié)構(gòu)體中有包含三個(gè)子結(jié)構(gòu)體，其中 x_values 記錄了時(shí)域圖中 X 軸的信息，如起始點(diǎn)、間隔步長(zhǎng)、點(diǎn)數(shù)等數(shù)據(jù)，y_values 記錄了振動(dòng)時(shí)域圖中 Y 軸的信息，也就是采集系統(tǒng)采集到的振動(dòng)傳感器輸出值的大小，而 function_record 記錄了類似于.txt 文件中抬頭部分的采集屬性信息。.mat 格式文件本身就是 MATLAB 存儲(chǔ)相關(guān)數(shù)據(jù)使用的文件類型，所以存儲(chǔ)為這種格式，也可以供后續(xù)

16、處理分析使用。兩種輸出文件如圖 2-14 所示。2.2.3 數(shù)據(jù)采集與獲取本課題的研究針對(duì)齊重?cái)?shù)控的重型臥式車床主軸箱故障，盡管不同型號(hào)機(jī)床的主軸箱尺寸有所區(qū)別，但是其傳動(dòng)方式、主軸箱內(nèi)部結(jié)構(gòu)布置、裝配中所產(chǎn)生的故障類型和特征大體相同，所以從不同的機(jī)床所采集的數(shù)據(jù)都可以用于課題的后續(xù)分析部分的研究。另外，由于重型機(jī)床的生產(chǎn)周期較長(zhǎng)、成本較大，不是每天都能有新的機(jī)床需要出廠進(jìn)行測(cè)試，而是根據(jù)訂單的需要組織安排生產(chǎn)，這樣每次在機(jī)床廠只能采集到兩三臺(tái)待出廠機(jī)床的數(shù)據(jù)。但是，為了保證后續(xù)的分析結(jié)果的正確性，需要大量的樣本?？紤]到樣本通用性以及樣本需求，本課題的數(shù)據(jù)由兩部分組成，一部分是利用儀器在現(xiàn)場(chǎng)采集得到的數(shù)據(jù)，還有一部分是齊重?cái)?shù)控對(duì)以前出廠的機(jī)床進(jìn)行故障診斷和排除時(shí)所采集的數(shù)據(jù)，由于廠方之前也利用同一系統(tǒng)采集信號(hào)來(lái)診斷故障，所以這些數(shù)據(jù)也可以應(yīng)用于課題，而且之前的數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)廠方分析后還用于指導(dǎo)裝配的調(diào)整改進(jìn)，所以可以作為很好的分析研究和訓(xùn)練樣本。在實(shí)際采集中，由于機(jī)床主軸箱主軸支承在箱體內(nèi)部距離箱體壁較遠(yuǎn)的地方，振動(dòng)傳感器的放置表面與實(shí)際振源之間的耦合面過(guò)多，甚至還有空腔部分，振動(dòng)傳感器難以對(duì)它的振動(dòng)進(jìn)行直接