車床主軸箱(共4頁)

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上本課題以齊重數(shù)控裝備公司的重型臥式車床主軸箱為研究對象，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，主軸箱實體外觀如圖 2-2 所示。主電機由彈性聯(lián)軸節(jié)與主軸箱軸連接，通過軸、軸、軸的傳動軸齒輪逐級減速，最終動力輸送到主軸，各傳動軸都支承在滾動軸承上。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，箱體內(nèi)采用油潤滑。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)隙過大、裝配松動等。而對于重型臥式車床主軸箱裝配來說，由于是新的待出廠機床，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，主要有電機與軸在安裝時存在軸不對中，箱體內(nèi)各傳動齒輪之間存在不對中，齒輪箱中個別傳動軸的安裝存在裝配松動，兩對嚙合的齒輪的齒側(cè)隙過大。為了后續(xù)更好的研

3、究和診斷故障，首先對于故障產(chǎn)生的原因、故障生成的機理以及故障存在時的特征進行研究與確定。本課題研究的重型臥式車床的電機與主軸箱軸之間都是用聯(lián)軸器進行連接，這種傳動結(jié)構(gòu)的安裝過程中會伴隨著連接軸同軸度超差的故障，這種故障通常表現(xiàn)為軸線平行不對中與軸線角度不對中共存，如圖 2-3 所示。在出現(xiàn)連接軸之間同軸度超差時，從動軸徑向振動頻率為主動軸轉(zhuǎn)頻的兩倍，而且隨著不對中角度的增加，轉(zhuǎn)速變化的幅度也越來越大35。此外，當不對中現(xiàn)象存在時，一般都是軸線平行不對中和角度不對中同時出現(xiàn)，從動軸徑向振動出現(xiàn)二倍頻，而且不對中現(xiàn)象越嚴重，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 為主動軸轉(zhuǎn)頻。在齒輪箱體的加工裝配過程中，常常會出現(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中。此外，齊重數(shù)控重型臥式車床主軸箱中有的齒輪是通過花鍵與軸實現(xiàn)連接傳動的。由于軸的同軸度超差以及齒輪加工時的同軸度超差，造成該齒輪與軸會出現(xiàn)裝配不正，造成的齒輪不對中。這兩種現(xiàn)象均會導(dǎo)致齒輪在齒寬方向所承受的載荷不均勻，傳遞動力的平穩(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。不對中齒輪會在嚙合頻率處產(chǎn)生帶有邊頻

5、帶的嚙合頻率振動，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，齒輪不對中的頻譜圖如圖 2-6 所示。在主軸箱裝配中，會出現(xiàn)裝配后相互嚙合的輪齒齒側(cè)間隙過大。因為齒側(cè)間隙會對齒輪傳動時的載荷變化產(chǎn)生影響，使得動態(tài)特性與以前不一致，而造成齒輪系統(tǒng)振動特性的變化，使得表征振動特點的峰值頻率發(fā)生改變。當齒側(cè)間隙過大時，在頻譜圖上除了有嚙合基頻的高次諧波外，還會出現(xiàn)嚙合基頻的分數(shù)倍諧波36，其頻譜圖如圖 2-7 所示。2.1.2.4 軸承座安裝松動在傳動軸安裝的過程中，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情況，一旦出現(xiàn)會導(dǎo)致箱體在工作時伴隨有強烈的振動和噪聲，這樣就不能起到保證傳動穩(wěn)定的作用。盡管這種故障在實際中出現(xiàn)的頻率較以上提到的幾種低，但是鑒于其對正常工況的嚴重干擾，還是需要對其進行準確診斷來排除。在安裝松動出現(xiàn)時，在頻譜圖上除了出現(xiàn)軸轉(zhuǎn)動頻率 f 這一基本頻率，還會伴隨有 2f，3f，4f 等軸轉(zhuǎn)頻的高次諧頻，也會存在 f/2,2f/3,f/3 等基頻的分數(shù)階頻率成分，而且這些頻率的幅值較正常工作時都有顯著增加，但是還是以旋轉(zhuǎn)基頻為主37。所以在診斷這種故障時要對各特征

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故障產(chǎn)生時伴隨的振動信號進行分析，因此需要采集時域內(nèi)齒輪箱的振動信號，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)該可以對由于軸不對中、安裝松動等裝配故障所引發(fā)的振動信號進行拾取。此外，為了更好地在時域、頻域?qū)π盘栠M行分析，還應(yīng)該對軸的轉(zhuǎn)速進行測取。2.2.1.1 振動傳感器通常速度、位移、加速度可以用以表征振動的特性，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振動量的測量38。速度傳感器測量的原理是進行脈沖計數(shù)和測試物體切割磁力線的速度。而這兩種

8、測試形式可以分別用來測量角速度和線速度。速度傳感器的缺陷為處理低頻信號時的能力減弱，而重型臥式車床主軸箱主軸的工作轉(zhuǎn)速在 0125r/min,其傳動軸的最高工作轉(zhuǎn)速為 600r/min，所以測試中要求傳感器在 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到的指標，所以這種類型的傳感器并不適合使用。位移的變化會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這些參數(shù)被測量。而微小位移的測量可以通過磁致伸縮等物理效應(yīng)實現(xiàn)，大范圍位移的測量可以利用光柵和編碼器等。這種傳感器在使用時需要在被測物體上有相對精確的固定，而這種固定往往需要一些特殊的

9、結(jié)構(gòu)和夾具實現(xiàn)。但是本課題所測試的都是機床廠用于出售的成品機床，機床型號系列、機床結(jié)構(gòu)安排已經(jīng)固定，留給我們改動和發(fā)揮的空間很小，所以這種傳感器也不滿足現(xiàn)場環(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的對應(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，另外，其頻率測量范圍可從 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。此外，加速度傳感器的安裝大多只需要與被測物體進行貼合，一般采用的固定方法有利用黏合劑將其與待測表面粘合，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)雜的機構(gòu)，使用方便。本課題采用美國 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)用時可以利用磁座粘接在軸承座端蓋處。2.2.1.2 轉(zhuǎn)速測試傳感器為了更好地將振動信號中包含的故障信息篩選出來，需要了解測試時信號來源轉(zhuǎn)軸實際的旋轉(zhuǎn)速度，這樣能夠計算出相應(yīng)的各傳動軸以及軸上零件可能出現(xiàn)故障所在的頻率，通過將這些信息與處理過的原始振動信號相配合，可以診斷出主軸箱的故障。由于齒輪箱各傳動軸上齒輪齒數(shù)可以通過查閱相應(yīng)機床的設(shè)計說明書獲得，因此只需要了解動力輸入電機的旋轉(zhuǎn)

11、速度即可。通過編碼器或者接近開關(guān)原理制成的傳感器都可以用于轉(zhuǎn)速的測量。編碼器使用碼盤、編碼器的配合實現(xiàn)計數(shù)轉(zhuǎn)換以求取相應(yīng)軸的轉(zhuǎn)速。而接近開關(guān)通過利用電容、電感或者光電信息的變化，來判斷物體的接近與離開動作，實現(xiàn)計數(shù)求轉(zhuǎn)速的功能?？紤]實現(xiàn)的簡捷性以及現(xiàn)場操作的方便性，本課題中使用已有的MVP-2C 型測試儀的轉(zhuǎn)速測試功能實現(xiàn)對轉(zhuǎn)速的測量。其測試利用開關(guān)原理，通過在電機軸上粘貼反光片，軸旋轉(zhuǎn)過程中，光信號每照射到反光片時都會被反光片反射，而這樣的反射出現(xiàn)、反射消失會激發(fā)光電傳感器產(chǎn)生脈沖信號。儀器通過對脈沖信號的分析能夠輸出轉(zhuǎn)速值，達到測試轉(zhuǎn)速的目的。這種方法簡便、快捷，適合在現(xiàn)場的復(fù)雜環(huán)境操作，

12、使用儀器及測試現(xiàn)場如圖 2-11 所示。2.2.2 采集系統(tǒng)在齊重數(shù)控裝備股份有限公司，機床在裝配后出廠前都要進行測試，其中很重要的一部分就是振動測試，而且振動測試的結(jié)果是工人進行機床裝配調(diào)整的重要指導(dǎo)，因此這項工作已經(jīng)開展很久，并且配備了很多先進的儀器，積累了很多檢測的經(jīng)驗。由于本課題的數(shù)據(jù)采集工作都在齊重數(shù)控進行，所以利用廠方提供的 LMS 測試儀器進行數(shù)據(jù)采集工作，它可以實現(xiàn)在多通道下應(yīng)用不同的采樣頻率在連續(xù)時間內(nèi)對數(shù)據(jù)進行采集。此外，其控制、參數(shù)設(shè)置與調(diào)整均由安裝在 PC 機上的LMS.Test.Lab 軟件實現(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)還有對原始信號進行放大的模塊，能夠保證信號強度。前置信號采集箱與電腦連接，并且由電腦控制采集的參數(shù)設(shè)置、采集開始與結(jié)束。圖 2-13為其信號采集軟件界面，圖中的三條曲線分別對應(yīng)三向振動傳感器的 X、Y、Z 方向輸入實時信號。而采集時間、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始前進行修改設(shè)定，在采樣開始后，系統(tǒng)對傳感器傳出的信號連續(xù)采集，在設(shè)定采集時間到達后，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到同

14、一個文件中，記為一個 section，并且可以為每個 section 輸入采集的機床型號、傳感器安放位置等注釋信息。而這些信息除了被存儲為 LMS 軟件可以讀取的文件格式外，還可以存儲為.txt、.mat 等其它軟件可以打開的格式，這為課題后續(xù)對于采集到的數(shù)據(jù)進行處理提供了可能。對于.txt 文件，文件開頭羅列了此次信號采集的時間、采樣頻率、傳感器對應(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)，一列對應(yīng)采集的時間點，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域信號。此外.txt 文件通用性好，可以利用 MATLAB

15、對其中數(shù)據(jù)進行提取并且利用 MATLAB 提供的的工具箱和函數(shù)進行處理，這為后續(xù)工作的開展提供了方便。對于.mat 文件，Test.Lab 軟件將某一次采集的信號信息全部存儲到一個結(jié)構(gòu)體數(shù)組中，這個結(jié)構(gòu)體中有包含三個子結(jié)構(gòu)體，其中 x_values 記錄了時域圖中 X 軸的信息，如起始點、間隔步長、點數(shù)等數(shù)據(jù)，y_values 記錄了振動時域圖中 Y 軸的信息，也就是采集系統(tǒng)采集到的振動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 存儲相關(guān)數(shù)據(jù)使用的文件類型，所以存儲為這種格式，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齊重數(shù)控的重型臥式車床主軸箱故障，盡管不同型號機床的主軸箱尺寸有所區(qū)別，但是其傳動方式、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，由于重型機床的生產(chǎn)周期較長、成本較大，不是每天都能有新的機床需要出廠進行測試，而是根據(jù)訂單的需要組織安排生產(chǎn)，這樣每次在機床廠只能采集到兩三臺待出廠機床的數(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)場采集得到的數(shù)據(jù)，還有一部分是齊重數(shù)控對以前出廠的機床進行故障診斷和排除時所采集的數(shù)據(jù)，由于廠方之前也利用同一系統(tǒng)采集信號來診斷故障，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)過廠方分析后還用于指導(dǎo)裝配的調(diào)整改進，所以可以作為很好的分析研究和訓(xùn)練樣本。在實際采集中，由于機床主軸箱主軸支承在箱體內(nèi)部距離箱體壁較遠的地方，振動傳感器的放置表面與實際振源之間的耦合面過多，甚至還有空腔部分，振動傳感器難以對它的振動進行直接