车床主轴箱

本课题以齐重数控装备公司的重型卧式车床主轴箱为研究对象，该公司重型卧式车床产品类 型众多，由于所能加工工件不同而尺寸各异，但是通过调研发现该厂卧式车床主轴箱结构基 本类似，只是尺寸有所不同，这也为后续的研究工作开展减小了障碍。该厂卧式车床主轴箱 基本结构如图2-1所示，主轴箱实体外观如图2-2所示。主电机由弹性联轴节与主轴箱I 轴连接，通过I轴、II轴、III轴的传动轴齿轮逐级减速，最终动力输送到主轴，各传动轴都 支承在滚动轴承上。此外，主轴箱箱体为全封闭箱形厚壁结构，整体刚度高，固有频率高， 抗震能力强，箱体内采用油润滑。齿轮箱中的故障按照零部件的不同，可以分为齿轮故障、轴故障、轴承故障等。其中齿轮的 故障主要有齿面磨损、齿面擦伤、齿面接触疲劳以及轮齿断裂；轴承的故障按照发生位置不 同可以分为内圈故障、滚动体故障、保持架故障和外圈故障34；轴的故障包括轴弯曲以及 轴的不平衡和不对中。此外，作为装配箱体，齿轮箱的主要装配故障还有轮齿侧隙过大、装 配松动等。而对于重型卧式车床主轴箱装配来说，由于是新的待出厂机床，所以齿面磨损、 轴承失效等故障并不存在，主要故障除了存在上述故障中的几种之外，还有一些其它装配完 成后所产生的特有故障。总结起来，主要有电机与I轴在安装时存在轴不对中，箱体内各传 动齿轮之间存在不对中，齿轮箱中个别传动轴的安装存在装配松动，两对啮合的齿轮的齿侧 隙过大。为了后续更好的研究和诊断故障，首先对于故障产生的原因、故障生成的机理以及 故障存在时的特征进行研究与确定。本课题研究的重型卧式车床的电机与主轴箱I轴之间都是用联轴器进行连接，这种传动结构 的安装过程中会伴随着连接轴同轴度超差的故障，这种故障通常表现为轴线平行不对中与轴 线角度不对中共存，如图2-3所示。在出现连接轴之间同轴度超差时，从动轴径向振动频 率为主动轴转频的两倍，而且随着不对中角度a的增加，转速变化的幅度也越来越大35 。此外，当不对中现象存在时，一般都是轴线平行不对中和角度不对中同时出现，从动轴径 向振动出现二倍频，而且不对中现象越严重，二倍频所占的比例和幅值越大，并且一般情 况下二倍频的幅值都要高于一倍频。其频谱图线一般形式如图2-4所示，其中f为主动轴 转频。在齿轮箱体的加工装配过程中，常常会出现由于箱体加工误差造成孔与孔之间的位置 精度不满足要求，而导致装有啮合齿轮的两轴在装配后不平行从而由于轴线不平行造成齿轮 不对中。此外，齐重数控重型卧式车床主轴箱中有的齿轮是通过花键与轴实现连接传动的。 由于轴的同轴度超差以及齿轮加工时的同轴度超差，造成该齿轮与轴会出现装配不正，造成 的齿轮不对中。这两种现象均会导致齿轮在齿宽方向所承受的载荷不均匀，传递动力的平稳 性下降，也使得齿面上局部区域载荷增加，这种现象也被称为“一端接触”。这种不同轴装 配误差示意图如图2-5所示。不对中齿轮会在啮合频率处产生带有边频带的啮合频率振动， 而且有啮合频率的谐波出现，在二倍和三倍啮合频率处谐波的峰值还很高，甚至会高于啮合 基频的峰值。此外，在各阶谐频的峰值周围出现调制现象，调制频率与该齿轮所在 轴的旋转频率吻合，齿轮不对中的频谱图如图2-6所示。在主轴箱装配中，会出现装配后 相互啮合的轮齿齿侧间隙过大。因为齿侧间隙会对齿轮传动时的载荷变化产生影响，使得动 态特性与以前不一致，而造成齿轮系统振动特性的变化，使得表征振动特点的峰值频率发生 改变。当齿侧间隙过大时，在频谱图上除了有啮合基频的高次谐波外，还会出现啮合基频的 分数倍谐波36，其频谱图如图2-7所示。2.1.2.4轴承座安装松动在传动轴安装的过程中，支承轴的轴承是被安装在箱体中的轴承座上，如图2-8所示。在 安装过程中，有可能存在由于轴承座连接螺栓安装不紧造成的轴承座安装松动情况，一旦出 现会导致箱体在工作时伴随有强烈的振动和噪声，这样就不能起到保证传动稳定的作用。尽 管这种故障在实际中出现的频率较以上提到的几种低，但是鉴于其对正常工况的严重干扰， 还是需要对其进行准确诊断来排除。在安装松动出现时，在频谱图上除了出现轴转动频率f这一基本频率，还会伴随有2Xf, 3Xf, 4Xf等轴转频的高次谐频，也会存在f/2,2f/3,f/3等基频的分数阶频率成分，而且这 些频率的幅值较正常工作时都有显著增加，但是还是以旋转基频为主37。所以在诊断这种 故障时要对各特征频率处的幅值综合分析，频谱示意图如图2-9所示。2.2故障诊断原始数据获取2.2.1传感器的选取本课题主要针对故障产生时伴随的振动信号进行分析，因此需要采集时域内齿轮箱的振动信 号，以便用于后续的分析研究。因此适用于本课题采集系统的传感器应该可以对由于轴不对 中、安装松动等装配故障所引发的振动信号进行拾取。此外，为了更好地在时域、频域对信 号进行分析，还应该对轴的转速进行测取。2.2.1.1振动传感器通常速度、位移、加速度可以用以表征振动的特性，因此相应的速度传感器、位移传感器、 加速度传感器都可以用于对振动量的测量38。速度传感器测量的原理是进行脉冲计数和测 试物体切割磁力线的速度。而这两种测试形式可以分别用来测量角速度和线速度。速度传感 器的缺陷为处理低频信号时的能力减弱，而重型卧式车床主轴箱主轴的工作转速在0125r/min,其传动轴的最高工作转速为600r/min，所以测试中要求传感器在10Hz以下有 较好的频响特性，这显然超出一般速度传感器所能达到的指标，所以这种类型的传感器并不 适合使用。位移的变化会使得位移传感器中的电容、电感、光栅等器件的相应参数产生改变， 线位移和角位移的大小可以通过这些参数被测量。而微小位移的测量可以通过磁致伸缩等物 理效应实现，大范围位移的测量可以利用光栅和编码器等。这种传感器在使用时需要在被测 物体上有相对精确的固定，而这种固定往往需要一些特殊的结构和夹具实现。但是本课题所 测试的都是机床厂用于出售的成品机床，机床型号系列、机床结构安排已经固定，留给我们 改动和发挥的空间很小，所以这种传感器也不满足现场环境。根据牛顿第二定律可以知道加 速度与力之间的对应关系，将这种关系推广，那么利用压电效应可以确定加速度与电压信号 的对应关系。而且压电效应具有在其有效范围内线性好和灵敏度高的特点，另外，其频率测 量范围可从0.0001Hz到1MHz，所以压电加速度传感器具有灵敏度高、频谱带宽等优点。 此外，加速度传感器的安装大多只需要与被测物体进行贴合，一般采用的固定方法有利用黏 合剂将其与待测表面粘合，或者利用磁力座等的外力作用将其固定，所以应用中并不需要附 加复杂的机构，使用方便。本课题采用美国PCB公司的356A16型3轴向加速度传感器， 如图2-10所示。其灵敏度为100mV/g,相应的频率范围为0.55000Hz,量程范围在土50g，重 量为7.4g，在应用时可以利用磁座粘接在轴承座端盖处。2.2.1.2转速测试传感器为了更好地将振动信号中包含的故障信息筛选出来，需要了解测试时信号来源转轴实际的旋 转速度，这样能够计算出相应的各传动轴以及轴上零件可能出现故障所在的频率，通过将这 些信息与处理过的原始振动信号相配合，可以诊断出主轴箱的故障。由于齿轮箱各传动轴上 齿轮齿数可以通过查阅相应机床的设计说明书获得，因此只需要了解动力输入电机的旋转速 度即可。通过编码器或者接近开关原理制成的传感器都可以用于转速的测量。编码器使用码 盘、编码器的配合实现计数转换以求取相应轴的转速。而接近开关通过利用电容、电感或者 光电信息的变化，来判断物体的接近与离开动作，实现计数求转速的功能。考虑实现的简捷 性以及现场操作的方便性，本课题中使用已有的MVP-2C型测试仪的转速测试功能实现对 转速的测量。其测试利用开关原理，通过在电机轴上粘贴反光片，轴旋转过程中，光信号每 照射到反光片时都会被反光片反射，而这样的反射出现、反射消失会激发光电传感器产生脉 冲信号。仪器通过对脉冲信号的分析能够输出转速值，达到测试转速的目的。这种方法简便、 快捷，适合在现场的复杂环境操作，使用仪器及测试现场如图2-11所示。2.2.2采集系统在齐重数控装备股份有限公司，机床在装配后出厂前都要进行测试，其中很重要的一部分就 是振动测试，而且振动测试的结果是工人进行机床装配调整的重要指导，因此这项工作已经 开展很久，并且配备了很多先进的仪器，积累了很多检测的经验。由于本课题的数据采集工 作都在齐重数控进行，所以利用厂方提供的LMS测试仪器进行数据采集工作，它可以实 现在多通道下应用不同的采样频率在连续时间内对数据进行采集。此外，其控制、参数设置 与调整均由安装在PC机上的LMS.Test.Lab软件实现，操作方便快捷，能够实现010KHz 采样频率的调整变化。LMS信号采集系统硬件配置和采集软件界面如图2-12、2-13所示。 图2-12为其硬件配置，传感器的信号线与具有多通道接口的前置采集箱连接，且前置采集 箱内还有对原始信号进行放大的模块，能够保证信号强度。前置信号采集箱与电脑连接，并 且由电脑控制采集的参数设置、采集开始与结束。图2-13为其信号采集软件界面，图中的 三条曲线分别对应三向振动传感器的X、Y、Z方向输入实时信号。而采集时间、采样频 率等参数设置在软件右侧工具栏中可以在采样开始前进行修改设定，在采样开始后，系统对 传感器传出的信号连续采集，在设定采集时间到达后，采样停止。包括设定参数、传感器信 息、采集的数据信息等在采样完成后都被记录存储到同一个文件中，记为一个section，并 且可以为每个section输入采集的机床型号、传感器安放位置等注释信息。而这些信息除了 被存储为LMS软件可以读取的文件格式外，还可以存储为txt、.mat等其它软件可以打开 的格式，这为课题后续对于采集到的数据进行处理提供了可能。对于.txt文件，文件开头罗列了此次信号采集的时间、采样频率、传感器对应方向、传感器 灵敏度、所使用的通道ID等信息，这些信息完整的记录了某一次采集的所有属性信息， 之后是两列数据，一列对应采集的时间点，一列记录相应的数值，这些信息完整的记录了某 一次采集的时域信号。此外.txt文件通用性好，可以利用MATLAB对其中数据进行提取并 且利用MATLAB提供的的工具箱和函数进行处理，这为后续工作的开展提供了方便。对 于.mat文件，Test.Lab软件将某一次采集的信号信息全部存储到一个结构体数组中，这个 结构体中有包含三个子结构体，其中x_values记录了时域图中X轴的信息，如起始点、 间隔步长、点数等数据，y_values记录了振动时域图中Y轴的信息，也就是采集系统采集 到的振动传感器输出值的大小，而function_record记录了类似于.txt文件中抬头部分的采 集属性信息。.mat格式文件本身就是MATLAB存储相关数据使用的文件类型，所以 存储为这种格式，也可以供后续处理分析使用。两种输出文件如图2-14所示。2.2.3数据采集与获取本课题的研究针对齐重数控的重型卧式车床主轴箱故障，尽管不同型号机床的主轴箱尺寸有 所区别，但是其传动方式、主轴箱内部结构布置、装配中所产生的故障类型和特征大体相同， 所以从不同的机床所采集的数据都可以用于课题的后续分析部分的研究。另外，由于重型机 床的生产周期较长、成本较大，不是每天都能有新的机床需要出厂进行测试，而是根据订单 的需要组织安排生产，这样每次在机床厂只能采集到两三台待出厂机床的数据。但是，为了 保证后续的分析结果的正确性，需要大量的样本。考虑到样本通用性以及样本需求，本课题 的数据由两部分组成，一部分是利用仪器在现场采集得到的数据，还有一部分是齐重数控对 以前出厂的机床进行故障诊断和排除时所采集的数据，由于厂方之前也利用同一系统采集信 号来诊断故障，所以这些数据也可以应用于课题，而且之前的数据经过厂方分析后还用于指 导装配的调整改进，所以可以作为很好的分析研究和训练样本。在实际采集中，由于机床主 轴箱主轴支承在箱体内部距离箱体壁较远的地方，振动传感器的放置表面与实际振源之间的 耦合面过多，甚至还有空腔部分，振动传感器难以对它的振动进行直接测量。故在实际检测 中，只对电机、主轴箱I轴、II轴、III轴的振动信号进行测试采集来进行后续分析。实验中 将振动传感器贴合在轴承座或者轴承座端盖处，这样离信号发射源比较近，传递介质的交换面比较少，能够保证特征信息的信号强度。信号采集时的采集顺序为电机、I轴、II轴、III轴，传感器的安放如图2-15所示。最终，获取了型号为3M32、3M44、3M46、3M51、 3M54、402、4C37、4C38的重型卧式机床在不同转速、不同档位下各个轴承座处的振动信 号，而这些信号的类型中包括了正常的以及上述提到的故障的，可以用于后续分析。