基於動態特性分析的機床主軸裝配故（gù）障診斷硏究（上）
2017-7-13 來源：北京交通大（dà）學 作者：李凱旋
摘要:機床的發展和技術水平直接反映了（le）一個國家機械行業的發展趨勢，映射著一個國家工業化水平的高低。主軸箱（xiāng）作（zuò）為機床的一個重要組成部分（fèn），在保證機床處於大負荷切削狀態下持續（xù）穩定運行等方麵起著（zhe）重要作用。主軸（zhóu）箱在（zài）滿足使用要求之前，為（wéi）了（le）避免裝配過程後（hòu）的故障問題，需要進行反複的安裝（zhuāng）調試。國內從業人員將主（zhǔ）要精力放在機床結構優化、切削性能改進等方麵上，對裝（zhuāng）配（pèi）工藝的研究不夠重視，對相（xiàng）關領域的研究也不夠深入；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（jī）床（chuáng）主（zhǔ）軸箱區域的裝配故障（zhàng）檢測研究是很有意義的。本文Ｗ南通科技集團的主流產品ＶＣＬ８５０立式加工中也為研（yán）巧對象，在充分調研南（nán）通機床（chuáng）現有裝配工藝的基（jī）礎上，結合南通機床在裝配（pèi）方麵的經驗積累（lèi），在工況（kuàng）下，針對（duì）機床主軸箱的裝酷（kù）故障進行了檢測及分析，具體內容如（rú）下；
首先，對機床主軸箱區域的主要常見（jiàn）裝配故障類型進行了深入調研與研究，並利用（yòng）ＬａｂＶＩＥＷ設計了針對主軸箱（xiāng）區域的測試係統，包括：主軸的軸也軌跡測試，主軸箱區域的振動信號測試。巧麵便於操作，具有濾波降噪、時頻域分析、軸私軌跡測（cè）試（shì）、相位檢測、故障類型識別等功能（néng）。
然後，為確定機床主軸箱不同故障所表現的時頻域信號特征，在轉（zhuǎn）子實驗台上針對（duì）動不平衡、角度不對中、鬆動（dòng）等裝配故障（zhàng）進行了模擬試驗，其（qí）次對（duì）ＶＣＬ８５０立式加工中也（yě）的主軸箱進行了在線測試，基於（yú）模態動能法與有效獨立（lì）法的原理針對王況下的傳（chuán）感器進行優化布（bù）置。對（duì）工況下的機（jī）床原始信號進行降噪濾波處理，並基於兩種巧ＶＤ法、不變矩法）不（bú）同的（de）識別方法，實現了主軸（zhóu）箱區域裝配故障類型的（de）判（pàn）定。
最後，基於傳遞路徑分析的原理（lǐ），對主軸箱區域故障源位置進行判定。首先利用ＡＮＳＹＳＷｏｒｋｂｅｎｃｈ對主軸箱區（qū）域進行了（le）故障源位置識別的仿真（zhēn）分化從（cóng）頻響函（hán）數的角度建立了主軸箱區域的傳遞函數矩陣，對傳盛器進行布（bù）置，獲取測試點的響應信息，解析確（què）定故障源（yuán）的位置。論證（zhèng）了其方法的可行性。然後開展實驗，利用ＬＭＳ數（shù）據采集係統通（tōng）過兩種不同的巧（qiǎo）勵方式對某機械結構的故障源位Ｓ進巧識別，有效碗定了故障源的具（jù）體位置。
關鍵詞：故陣診斷；軸也軌跡識別；故隨源識（shí）別；傳遞函數
１.緒論
１．１論文（wén）背景與硏究意義
本論文（wén）來源於清華大學精密儀器與機械學係與南通科技數控機床技術聯合研發中屯（tún）、開（kāi）展的合作項目。
立式加工中必的特點在於其主軸軸線與（yǔ）工作台垂直設置。立式加工（gōng）中（zhōng）也因其發（fā）展較早，技術比較成熟，同時具有高速、高精度等特點，因而在中小零件及中（zhōng）小（xiǎo）模具加工中具有不（bú）可替代的優勢（shì）化中國（guó）的數控機（jī）床經曆了凡十年的發展，己經取得了長足的進（jìn）步。中低端數（shù）控機床己經基本滿足了國內需求，但是在離（lí）端領域，我國與歐日美等國家相比，差距顯著，裝（zhuāng）配對產品可靠性的影響非常濕著，國肉機床領域的從業人員和（hé）研巧人員將主（zhǔ）要精力放在機床結構優化、切削（xuē）性能改（gǎi）進等方麵上，對機（jī）床（chuáng）裝（zhuāng）配工芝（zhī）的研巧不夠（gòu）重（chóng）視，對（duì）相關領域的研巧也不夠（gòu）深入。由（yóu）於機床在裝配和調試技術方麵的短板，國產（chǎn）機（jī）床在（zài）定位精度、機床的（de）動態（tài）特性上與國外（wài）還有很大差距，產品的壽命周期也遠低於國外口］，這些都是（shì）國產高檔（dàng）機床市（shì）場占有率不商的重要原因。當前數控機床的生產模式屬於多品種小（xiǎo）批裏，數控機床製造企業的裝配車間（jiān）大多采用半自動（dòng）裝配或純手工裝配的方式，基（jī）於這種裝配方式的特點，下幾個方麵導致了機（jī）床在裝配環節可（kě）能會存在故暗隱患。
（１）人為因素，裝配操作工人的素質參差不齊，會對機床裝配故障的造成很大影響，進而對機床的綜（zōng）合性能也會產生影響。
（２）裝配零部件本身的（de）特性。裝配零部件的幾何誤差、表麵粗簷度Ｗ及（jí）材（cái）料剛度屬性等方麵對機床的裝配精度亦有影響。
（３）機床裝（zhuāng）配過程和裝（zhuāng）配（pèi）完成後的檢測（cè）手段。由於機床在裝巧過程和裝（zhuāng）配完成後的測裏方式往往采用半自動（dòng）或手動的測量方式，測量方式並（bìng）沒有執（zhí）行統一嚴格的標準，且限於測量工具自身的檢測水平，同樣會對機床在後續工作巧態下的故睹（dǔ）發（fā）生產生影響。
（４）其他因素。此外，機（jī）床製造廠家（jiā）在（zài）裝（zhuāng）配機床過程中，有些外購部（bù）件在不能及時到貨（huò）的情況下，為了（le）不影響裝配進度，？不得不更改裝配順序（xù），操作工人在裝配現場（chǎng）為了自（zì）身的方便，也會出現不嚴格執行（háng）裝配工藝規程的現象；機（jī）床在安裝地點的精（jīng）度指標與出（chū）廠（chǎng）預驗收的精度（dù）保持一（yī）致（zhì）也是難Ｗ做到的。
國內（nèi）機床製造廠家為了提商機床性能，通常（cháng）關鍵部件采用國外產品，南通化（huà）床生產的ＶＣＬ８５０立式加工中也（yě），主軸、滾珠絲杠副、線性導軌均為外購。盡管這些零部（bù）件自身的製造精（jīng）度（dù）滿足要求，似裝配完成後，機（jī）床性能尤其在工（gōng）況下的定位（wèi）精度、動態特性上遠不及園外的同類產品．美國哈斯公司生產的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大致相近。化起在技術參數指標上者差距明思，ＶＣＬ８５０立式加工中屯、的定位（wèi）精度０．０１ｍｍ，重複定位精度（dù）０．００５ｍｍ，而ＶＦ－３係列立式加Ｘ中屯（tún）、的（de）定位精度０．００５ｍｍ，重複定位精度（dù）０．００２５ｍｍ。因（yīn）此在加工精（jīng）度上，ＶＣＬ８５０立式加１中屯、還有很大的提升空間。另外在高速狀態下，ＶＣＬ８５０立式加工中屯、的穩定性要弱於ＶＦ－３型立式加工中也。南通科技的機（jī）床裝配工藝規程長期１＾：＞１來主要（yào）依（yī）靠（kào）工人的現場工作經驗巧累，研發（fā）設計人員並沒有采用實驗的手段，需要通過（guò）量化數據去支持論證機床裝配Ｘ藝流程的合理（lǐ）性。機床部（bù）件裝配的累積誤差會影響到機床的加工精度口由此可化，基於裝配工藝角度來對機床（chuáng）進（jìn）行研巧分析（xī），對於提高機床的（de）動態特性意義很火。圖１－１為某數按機床（chuáng）的故（gù）障原因統（tǒng）計圍。
圖１－１某數挖機床的故（gù）障原因統計圖
綜上所述，從裝配角（jiǎo）度對機（jī）床主軸箱進行檢測，將化床裝配故障問題類型化，故睹源位置具體化，可（kě）為裝配（pèi）工人在機床在裝配過程（chéng）中遇到的故障問題提供指導性意見，方便工人迅速查找故障源（yuán）；從長遠上說，還可ｌＵ為後（hòu）續建立的化床智（zhì）能故障監測係統提（tí）供相關的（de）技術儲備。
１．２國內外硏究綜（zōng）述
１．２．１化床（chuáng）主軸箱故隨診斷（duàn）技術
主軸（zhóu）箱的裝配是機床（chuáng）的重（chóng）要（yào）一環，主軸箱各部件的製造精度Ｗ及它們之間的裝配故障將直接影響機床的加工性能。一（yī）旦機床主軸箱區域的相關部件裝配不達標，卻未（wèi）予及時發現，將可能導致某些昂（áng）貴部件造成不可修複的損失。從（cóng）先（xiān）期的（de）機床組裝階段，針對機（jī）床主軸箱各部件的裝配進行相關（guān）檢測及（jí）分析（xī），能夠在機床出現放障之前及早的發現問（wèn）題來源（yuán），可避免不必要的（de）經濟損失（shī）。針對主軸箱的故障診斷，一般經曆Ｈ個階段：設備原始數據的巧集及獲取、對原始數據進行預（yù）處理提取有用成分、對處理數據進行（háng）特征（zhēng）識別與類型匹配。為（wéi）了便於觀察主軸箱的故障類型，一般將傳感器放（fàng）置在主軸附近，觀察主軸的運轉情況。
現有（yǒu）文獻針對（duì）機（jī）械設備在工作過程中出現失效時的故障機理、特征等（děng）方麵開展了大量的（de）研巧，專口（kǒu）針對機床主（zhǔ）軸箱的裝配故障開展研巧的相（xiàng）關文獻並不多，但是針對不同檢測對象的研巧策略是相似的，進行（háng）故（gù）障診斷的方法手段是相通的。故障診斷技術的研（yán）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）法研究、故障機理的研究、機械故障信息處理技術（shù）、故障特征提取與分析化研巧領域的（de）詳細劃分如圖１－２所示。
困１－２旋轉機械狀態監測及故時診斷技術
針對機床主軸箱故（gù）障診斷的研巧，楊（yáng）樹蓮Ｗ利用可變回轉角度階比分析的方法對機床主軸故（gù）障特征進行提取，收到了良（liáng）知的效（xiào）果。馮冬芳Ｐ１通過頻譜分析的（de）方法利用主（zhǔ）軸軸承的振動信號（hào），對主軸（zhóu）進行故（gù）掩診斷，並確定了軸承端蓋的預緊力區間。周蘇（sū）波Ｗ對機床主軸的軸也軌進進行在線測試，發現機床主軸箱存在動（dòng）不平衡的裝配故障。商（shāng）榮Ｍ利用小波奇異性對主軸箱的振動信號進行處理（lǐ），消去了（le）外界喚（huàn）聲（shēng）對切削狀態（tài）下監測係統的幹擾，同（tóng）時還可（kě）Ｗ對機械故障信號進行預測，達（dá）到了提高電主軸使（shǐ）用（yòng）壽命的目的。
１．２．２故障信息處理技術
故障信息處理技術通常由故障信號（hào）的（de）檢測、分析處理兩部分構成，檢測的常見（jiàn）信（xìn）號類（lèi）型包括：流量、噪聲、電流、溫度、振動、壓（yā）力、電壓（yā）等（děng），分析處理就是對這些信號進行放大、濾波、去（qù）噪（zào）、調理、解調變換等，進而提取出對故障（zhàng）特征識別有用的信息。故障信號去噪是對故（gù）障特征提（tí）取與分析之前的一個必要（yào）環（huán）節，傳統的去噪方法主要（yào）包括線性濾波和非線性濾波，其中的典型代表是中值（zhí）濾波和Ｗｉｅｎｅｒ濾波。傳（chuán）統去噪（zào）方法的不足在於（yú）信號變換後的炯増（zēng）高，無法刻畫信號的非平穩特性並（bìng）見無法得到信號的相關性（ＩＷ１。在信號去噪方法研究的早期過程中，由於受到理論方法的限製，從振動信號中去除外部噪聲幹擾主要采用傳統（tǒng）去噪方法，取得了－？些研究成（chéng）果。１９８１年王祖（zǔ）榮提出了一種將（jiāng）係統進一步簡化為（wéi）滿足文泰濾（lǜ）波條件定常係統的簡化非線性濾（lǜ）波方法（fǎ）。１９８７年陳關榮ｎｓ］研究了非線性動（dòng）態及觀測係統濾波（bō）問題的一種樣條函數遞推算（suàn）法。隨著科技的發展，許多先進（jìn）的去噪技術例如小波變換、ＨＨＴ變換、ＥＭＤ分解等先後出（chū）現。在機械故障診斷領域獲得了實際應用，取得了很好的（de）科研成果。１９９８年傅瑜對小波理論在若幹旋轉機械設備（bèi）故障診斷中的實際應用問題開展了研（yán）巧。２００４年胡峰等（děng）學者利用小波降噪的方法提取故障信號，並用ＡＲ模（mó）型（xíng）進行譜估計（jì），確定齒輪的故障（zhàng）類型及嚴重程度。２００８年劉樹春等Ｗ研究了基於二（èr）代小波的振動信號去噪（zào）相關技術。２０１３年孟宗等（děng）Ｗ提出了一種解（jiě）決ＨＨＴ分析（xī）中模態裂解現象的方法，即基於快速獨立分量分析消噪的ＨＨＴ分析方法，仿真與實例結果表明，該方法能有效抑製ＨＨＴ過程中的模態裂解現象，有效提（tí）取信（xìn）號的特征頻率（lǜ），進而實（shí）現旋轉機械故障診斷（duàn）。
１．２．３故摩（mó）特征提取與分析（xī）技術
故障特征提取局分析（xī）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與機械（xiè）故障診斷的準確（què）性。故（gù）障診斷信息處理技術（shù）研巧的主要內容包括時間序列分析（xī）、統計分（fèn）析（xī）、傳遞函數分析（xī）、相關（guān）分析、頻譜分析、相幹分析、細化譜（pǔ）分析、包絡分析、模（mó）態分析和倒譜分析（xī）等，其理論基礎是（shì）數理統計和隨機過租氣傳統的故（gù）睹特征（zhēng）提取與分析技術主（zhǔ）要基於傅立（lì）葉分析，傅裏葉變換與反變換建立（lì）了信號在時間域與頻率域之間相互轉化的（de）橋梁，提供了信號的時域分析和頻域分析兩種（zhǒng）方法。因此，傳統的故障特征提取方法主要分為（wéi）時域分析方法和頻域分析方法兩大類ＰＷＩ１，１９８３年埃（āi）什爾曼等腳利用（yòng）波（bō）動（dòng）分析儀對電動機（jī）同步和（hé）非同步過程進行了時域方麵的（de）分析。陳瑞琪等（děng）口１人於１９８５年利用聲強分析儀及頻率分析儀係統對紡機錠子和（hé）氣流紡紗高速軸承組件的振（zhèn）動、噪（zào）聲進行頻（pín）譜分析，了解（jiě）兩者的主頻率及相互關係。１９９２年艾延廷等ｔｗ對（duì）齒輪故（gù）障檢測中時域分析技術的實現過程、齒輪故障的（de）特（tè）征波（bō）形及特征參數進行了討論，並引證了應用時域分析技術（shù）檢測（cè）齒輪故障的實（shí）例。
在Ｗ振動信號為化態變量進行故障（zhàng）診斷時，由於設備運轉的不平穩、外（wài）在負荷的交替變化、不確定性的（de）衝擊等因（yīn）素導致（zhì）振動信號並非始終是平穩的，從（cóng）而使基於平穩過程和線性係統的（de）傳統信號處理理論的應用受到限製Ｐ５１。傳統的傅立（lì）葉變換從頻域角度分（fèn）析振動信號（hào）的特征信息（xī），僅適用於對平穩信號（hào）的分析，在處理非平穩信號時會出現很大誤（wù）差，甚至與實際情況（kuàng）大相徑（jìng）庭。隨著現（xiàn）代信號處理技術的發展和逐漸（jiàn）成熟，人們開始研究新的信號處理方法提取故障特征信（xìn）息ＩＷ。其，中具有代表性的方法如小波分析（xī）（簡稱ＷＡ）、獨（dú）立分量分析（簡稱ＩＣＡ）、主分（fèn）量分析（xī）（簡稱ＰＣＡ）、經驗模態（tài）分（fèn）解（簡稱ＥＭＤ）、隱Ｍａｒｋｏｖ模型（簡稱（chēng）ＨＨＭ）等。林京等學者ｉｎ］建立了基於連續小波變換的奇異性檢測方法，並將這種方法應用在壓縮巧氣（qì）閥的（de）故障診斷中，充分顯示了該方法的（de）有效性。張生對某巧輪箱進行故障診斷，模態分（fèn）析中的固有頻率和振型作為識（shí）別故暗的重要（yào）參數特征，胡勁鬆口９］利用經驗模態（tài）分解的方法應用到旋轉機械信號處理與故隋診斷，為非線性和非穩態的故障分析與診斷給出了一條新的途徑。下啟全等學者口Ｗ提出了基於因（yīn）子隱Ｍａｒｋｏｖ模型的旋轉機械故障診斷方法，而且利用這種（zhǒng）方法對旋（xuán）轉（zhuǎn）機械（xiè）的故障實現了進行了（le）有效的分類。
１．２．４故膊源位置識（shí）別技術
機床存在機械故障時，必定會衍生出額外的激勵、噪聲。工程技術人員通過（guò）信號檢測技術對故障源進行（háng）位置判定，進而針對性的機（jī）械結構進行調整（zhěng），解決機械故障問題。從這個角（jiǎo）度上說，故陣源識別技術的應用前景廣泛。故障源（yuán）識別技術最初主要應用在汽車領域，隨著科學技術的不斷發展，逐漸應用到船舶、機床（chuáng）、飛機、鐵道等領域。從６０年代開始，隨著計算機的迅速發展（zhǎn），有限元網格劃分的精細（xì）程度和計算精度逐步提高，出（chū）現了與Ｍ動嗓聲緊密相關的（de）計算分析理論巧軟（ruǎn）件。目前較（jiào）為主流的有限元分析（xī）巧件代表有；ＡＮＳＹＳ、ＡＢＡＱＵＳ、ＭＳＣ－振動測試（shì）類的產品有饑公司的數據（jù）采集（jí）卡係列，其中比利時的ＬＭＳ公司（sī）的測試係統是ＮＶＨ領域的行（háng）業領導者，應懷樵教授創建的北京（jīng）東方（fāng）振動和噪聲技術研巧所在國內也有一定的聲（shēng）譽。
國內外對故陣源識別的方法有分步運（yùn）巧消去法，頻譜分析法（fǎ），即相幹函數法，層次分析法，傳遞路徑分（fèn）析（xī）法（ＴＰＡ），統計能（néng）＊法等ＰＯ＇Ｗ，主成分分析法．獨立分（fèn）量分祈法等（děng）等。在此僅介紹前Ｈ種方法。
１．分步運轉法
分步運轉消去法即對一個複（fù）雜（zá）的機械係統進行故障源識別時，首先在（zài）同一部位（wèi），不同時間下，對係統的總體振動噪聲響應進行測試，然後逐步關閉係統的各個故障源，與此同（tóng）時測試關閉故（gù）障源後的振（zhèn）動噪聲響應，根據（jù）疊加原理，確定各個故（gù）障源對係（xì）統總體的貢獻大小。這種方法簡單，便於直觀發現（xiàn）問題。但實際工作中複雜的機（jī）械係統，各個故障源往往鍋合（hé）在一起，難Ｗ單獨開啟關閉某一（yī）故障源，因此針對複雜的機械係統，分布運轉消除法無法解決實（shí）際（jì）問題。
２．頻譜分析法（fǎ）
額譜分析法即在頻域對故障源進行識別（bié），一般不同的振（zhèn）動（dòng）噪聲故障源具有不同的頻率特性（xìng）。可通過（guò）頻譜分析，依據幅值大小主觀判定故障源的貢獻大小。但（dàn）由於機（jī）械結構（gòu）自身的動態特性，幅值最大的（de）區（qū）域並非總是故障源（yuán）區域，這種依據是不成（chéng）立的。
３．相幹分析法
相幹分（fèn）析法作為－－種比較成熟的技術（shù）廣泛應用到（dào）了振（zhèn）動噪聲領域，Ｐ．Ｒ民〇化１９７１年在有背（bèi）景噪聲的情況下，利用常相幹分析方法正確識別了噪聲源。Ｍ．Ｃａｌｉｓｋａｎ利用相幹（gàn）分析用於紡織機的瞬時噪聲源識別，與傳統方法得到的結果相同，證明了相幹分析可同樣適用於故障源識別１＂１。國內對相幹分析的研巧始於上（shàng）個世紀８０年代，吳浩珪等人於１９９５年利（lì）用相幹分析法確定了某柴油客車的主要噪聲源，並進行了（le）後續的降噪處理Ｗ。張衰維等人Ｗ利用自功率譜（pǔ）分（fèn）析與相幹分析技術，對（duì）某台內燃叉車的液（yè）力變速箱進行測試分析，找到了該變速箱（xiāng）產生噪聲的主要來源。
４．傳遞路徑分析法
傳遞路徑（jìng）分析（ＴＰＡ）是指通過試驗來跟蹤由源經過一係列己知（zhī）結構（gòu）或空氣傳播路徑（jìng）傳遞到指定接收點能量流的分析方法。其目的在於評價由振動（dòng）源到響應點每個路徑能量的矢裏貢獻（xiàn），從而確定為了（le）解（jiě）決（jué）特定的問題，路徑上哪些部件需要修改，或者通過結構優化設計使部（bù）件得到理想的（de）特性。於上個世紀９０年代開始發展起來，如今在機械故陣診斷、部件性能（néng）改進、振動噪聲源識（shí）別等方麵得到了很好的應用，己經被（bèi）國外汽車ＮＶＨ領域廣泛認同並且己經商用化，國內也開始興起。比利時的ＬＭＳ公司的ＬＭＳＴｅｓｔｌａｂＴｒａｎｓｆｅｒＰａｔｈＡｎａｌｙｓｉｓ軟件在汽車領域得（dé）到了廣泛好評與普遍應（yīng）用，ＬＭＳ公（gōng）司在空氣聲定量識別、多參考點傳遞路（lù）徑分析、王況（kuàng）傳遞經分析等方麵積（jī）累（lèi）了大量成功（gōng）案例。Ｋ．Ｇｅｎｕｉｔ等人Ｗ利用雙通道傳遞路徑分析模型對車（chē）內進行聲學診斷；福特（tè）公（gōng）司的ＰｅｒｒｙＧｕ等（děng）人對（duì）巧（qiǎo）態振動狀（zhuàng）態下的車內（nèi）振動巧聲進行了定＊分析，Ｇｒｙａｎａｒｏｒａ等人利用傳遞（dì）路徑分析法對（duì）路（lù）麵噪聲對車內貢獻的（de）影（yǐng）響進行了分析等等。目前國（guó）內開展傳遞路徑分析研巧的單位主要（yào）Ｌ：；高校和科研院所為主，吉林大學、同濟大學、上海交通大（dà）學Ｗ及長安汽研院在這方麵做出了不錯的成績，並且應用到了很多領域。吉林大學的起形航ｔ＂］利用傳遞路徑分析法較完整地分析了（le）車內振動噪聲的傳遞路徑，建立了車內振動噪聲傳遞模型，並對（duì）主（zhǔ）要的傳（chuán）遞路徑進行分析，取得了很好的預期效果。同濟大學的郭榮等［４＊１對（duì）燃料電池轎車車內噪（zào）聲的傳遞路徑進行了分析研究，在怠速工況下對車內噪聲進行傳遞路徑測試試驗，識別得出（chū）了主要傳遞路徑。長安汽車工程研巧院李傳兵等人用傳遞路徑分（fèn）析的相關軟件，針對某新車型的車內噪聲問（wèn）題進行了傳遞路徑分析，找到了對車內噪聲影響最大的傳遞路徑，針對性地對（duì）部分部件進行結（jié）構優化，有效地消除了運行（háng）狀態下的車內噪（zào）聲問題。總體上說（shuō）國內的高校和研．究機構（gòu）對傳遞路徑分析方法（fǎ）的研究應用還處於摸（mō）索前進階段（duàn）。
１．３論文主（zhǔ）要硏究內容
機床部件裝配的累積誤差４影（yǐng）響到機床的加工精度本論文針對某立式加工中屯、的主軸箱在裝配出廠階段進行質（zhì）量檢（jiǎn）測及分析，將機械故障（zhàng）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（chǎng）工（gōng）人進行機床質量檢驗（yàn）和機床（chuáng）裝配（pèi）工藝規程的不斷改進具有（yǒu）指導意義。另外，本論文所開展的工作也為後續針對機床的自動監測與診斷（duàn）係統的開發積累了資料素材。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（chéng）、裝配特點的基礎上，結合ＶＣＬ８５０立式加工中也的裝配（pèi）王（wáng）藝規程等相關資料，分（fèn）析主軸箱在安裝過程中可能存在裝配故障的區域，並（bìng）對其故障機（jī）理進行了探（tàn）討分析。
(2）結合測試方案和要求，選用合適的傳感器、數據采集（jí）卡，利用ＬａｂＶ圧Ｗ軟件進行編程，構建針對主軸箱區（qū）域的測試係統。實現基於相關分（fèn）析的濾波（bō）降噪功能、相位測（cè）量功能（néng），頻域分析功能，基於ＳＶＤ法、不變矩法的軸（zhóu）也軌（guǐ）跡識別功能。
（３）利用轉子實驗台，對動不平衡、角亭（tíng）不對中、鬆動等Ｈ種不同類型的（de）裝配故障進行模巧實驗，並結合相關文獻（xiàn），初步確定Ｈ種不同類型裝配故巧的信號（hào）特征表現形式。
（４）結合模態動能法與有（yǒu）效獨立法，針對主軸箱在工（gōng）作激勵下如何實現傳感器的（de）優化布置開展研巧，為（wéi）機械故席診斷前期如何優化（huà）布（bù）置傳感器提（tí）供了（le）一種新的（de）思路（lù）。
（５）對（duì）空轉狀態下的主軸箱區域（yù）振動信號進行采集，對振（zhèn）動信號進行降巧處理（lǐ）分析裝配主軸箱故障原因（yīn）；對主軸運行狀態下的軸屯、軌跡進行檢測，並基於ＳＶＤ法、不變矩法對主（zhǔ）軸的軸屯、軌跡進行識別方法分析，軸也軌跡作為判定不同主要的裝配故障類型的信號指（zhǐ）標，實現對不同主要的裝配故障類（lèi）型的分類識別。
（６）基於傳迸路徑分析的原理，對不同裝配（pèi）故障（zhàng）產生的異（yì）常故障源位置進行判定：首（shǒu）先介紹故障源識別采（cǎi）用的主要方法，然後利用ＡＮＳＹＳＷｏｒｋｂｅｎｃｈ仿真（zhēn）軟件實現對主軸箱故障源位（wèi）置的識別，最終開展實驗論證這種故（gù）障源位置識別方法（fǎ）的可行性。
２.ＶＣＬ８５０主（zhǔ）軸箱主要的裝配故障機理分析（xī）
本次實驗的實驗對象ＶＣＬ８５０立式加（jiā）工中如（如（rú）圖２－１所示）是南通機床自（zì）主開（kāi）發的（de）一款高檔通用（yòng）的自動化機床，配裝了刀庫容量（liàng）為２４把刀的機械手刀（dāo）庫，可完成較、統、鑽、錯、攻絲（sī）等多種工序的切削（xuē）加工。
圖２－１ＶＣＬ８５０立式加工中私
本論文的研巧重點為ＶＣＬ８５０立式加工中屯、的主軸箱區域。ＶＣＬ８５０立式加工（gōng）中也主軸（zhóu）箱區域的裝（zhuāng）配圖如圖２－２所示。主要包括主軸箱、主軸電機，同步齒（chǐ）形帶，主軸、等相關配合部件。
圖２－２主軸巧裝（zhuāng）巧巧
在機床出廣階段，由於裝（zhuāng）配不當會導（dǎo）致機床（chuáng）在後續（xù）工作中出現不同類型（xíng）的機械（xiè）故陣在工作狀態下，化床所表現出不同形式的信（xìn）號特征可指導檢測人員判定故障原因。不同振動類型及表現形式如（rú）圖２－３所示，簡單（dān）描述了不同振動類型所（suǒ）表現的信號特征：
圖２－３不同振動類型及表（biǎo）現形式
自激振動是由機床自身結構決定的，在機床出廠階段，受迫振動則《是由裝配不當（dāng）造成的。因此需要（yào）對ＶＣＬ８５０進行模態分析，排除自激振動的幹擾。ＶＣＬ８５０的轉速區間在４８？１２０００巧（qiǎo）ｍ，對應頻率為１？２００Ｈｚ，首先對ＶＣＬ８５０的主軸箱進行模態分析仿真，排除機床工作頻率是否（fǒu）在自激振動的區間。取六階模態（tài），通過ＡＮＳＹＳＷｏｒｋｂｅｎ化得到仿真（zhēn）結（jié）果，其前六階固有頻率和對應（yīng）的模態振型（xíng）如表２－１所示，
表（biǎo）２－１模態仿真分（fèn）析（xī）結果
表2.1 ＶＣＬ８５０主軸箱主要的裝配故障機（jī）理分析
可Ｗ看（kàn）到主軸箱區間的一階固（gù）有頻率在２６３．１６Ｈｚ，證明（míng）ＶＣＬ８５０在工作轉速範（fàn）圍內產生的故障不是由自激（jī）振動（dòng）造成的。
下麵主（zhǔ）要介紹ＶＣＬ８５０立式加工中屯、主軸箱區域在（zài）工作轉速下的常見的幾種裝配故障類型：
２．１動不平衡故障
動不平衡是大型旋轉機械最為常見的故障（zhàng）類型之一。對機床主軸（zhóu）箱進行裝配時，主軸係統的組件之間的安裝不當（dāng），導致產生（shēng）配合間隙。安裝（zhuāng）刀具時（shí），刀具係統（刀具一刀柄）與（yǔ）主軸（zhóu）錐孔的配合不良，都會在運（yùn）轉過程中產生動不平衡。主軸安裝之前，對主軸自身進行動平衡試驗是十分重要的一環，主軸箱整體裝配（pèi）完成之後，能夠實現對動不平衡（héng）的（de）在（zài）線測試，可１＾更為徹底的（de）檢測動（dòng）不平衡問題（tí）。主軸與刀具係統的安裝如圖２－３所示。
圖２－４主軸與刀具（jù）的配合
如圖２－５為（wéi）轉子動不平衡示意圖，動（dòng）不平衡主要表現在一個旋（xuán）轉體的質量中屯、０與轉動中也０＇不重合（hé），導致轉子在運（yùn）轉過程（chéng）中（角速度為Ｗ）形成了周（zhōu）期性的巧屯、力Ｆ或者離屯、力矩的（de）幹擾，作（zuò）用（yòng）在機組及其相關部件，加劇旋轉機械的振（zhèn）動，同時產生噪聲，在一定程度上加速了軸承等部件的磨損（sǔn），縮短了機組的使用壽命。離也力Ｆ的大小與偏（piān）屯、距ｅＷ及旋轉角速度（dù）似有關，即：
就機床主軸箱（xiāng）區域來說，相關安裝部件（jiàn）自身的製造公（gōng）差、部件安裝不當、長時間運行後導致主軸係統產生很大溫升（shēng）、長期（qī）使（shǐ）用導致部件磨損、等都是造成主（zhǔ）軸動不平衡的主要原因口（kǒu）２１。
圖２－５轉子動不平衡示意圖
如圖所示，Ｏ為轉子的轉（zhuǎn）動中屯、，公（gōng）為轉子的質量中必，ｅ為（wéi）偏屯、距，ｗ為｝｜轉子角速度，０為偏屯（tún）、夾角。若考慮阻尼的影響，則（zé）轉子運動微分方程為：
動不平衡下的轉（zhuǎn）子在運轉過（guò）程中（zhōng）在Ｘ、ｙ方向（xiàng）的（de）振幅並不一定相等。
２．２不（bú）對中故障
針（zhēn）對主軸箱（xiāng）而言，電機通過同步內齒帶與主軸連接，張緊力施加的不合理，極有可能造成主軸、電機偏角不對中的情況發生。
轉子不對中的實（shí）際（jì）含義是（shì）指（zhǐ）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、安裝誤差或者長時間使用造（zào）成的熱變形等因素。轉子不對中可分為偏角（jiǎo）不對中（zhōng）、平行不對中和偏角平行不對中Ｈ種（zhǒng），可看到（dào）電機通過同步內（nèi）齒（chǐ）帶輪連接主軸（zhóu）。主軸與電機的配合簡圖如圖２－６所示。
圖２－６主軸與電機配合（hé）簡圖
圖２－７電機、主軸角速度（dù）一周期內的變化
２．３碰摩故障
ＶＣＬ８５０立式加（jiā）工中屯、的主軸箱剖麵圖如圖２－６所示。主軸與電機通過同步內齒帶輪連接，裝配工人（rén）依靠經驗將調整（zhěng）螺釘實現對帶輪的張緊，由於調（diào）整不當，帶輪張緊力過大，會影響（xiǎng）到間隙配合的位置，產生碰摩的裝配故障。
定（dìng）子轉（zhuǎn）子碰摩（mó）是旋轉機械的常見故障，由於安裝不當影響了定子轉子的間隙誤差，導致轉子和定子間的摩（mó）擦事（shì）故經常發生，同時由於工況變動（dòng）或過大的軸向推力，都有可能導致碰摩ＩＷ。圖（tú）２－８為碰摩力（lì）學（xué）模型圖（tú）。
圖２－８碰摩力學模型
碰摩是轉子（zǐ）在轉動（dòng）一周（zhōu）後與定子部件上的（de）某區域發生接觸碰撞導致彈性變形及摩擦熱（rè）效應的情況。Ｋ，為（wéi）定（dìng）子與轉子之間的（de）等效剛（gāng）度，將Ｃ和分解到徑向的碰撞力和切向的摩擦為／；，則有：
摩故障發生。
力（lì）碰摩產生的接觸力足Ｗ改變轉子軌跡的運動方向，這時動定子的（de）接觸點不一定是固定的，其（qí）振動響（xiǎng）應值應為各接觸點法向力的平均值之（zhī）和１巧。
２．４鬆動故障
如圖２－９所示，兩（liǎng）處分別為電機主軸箱結合（hé）部與主（zhǔ）軸與主軸箱結合部。
圖２－９主軸箱結合部（bù）
主軸箱區域分布著大量螺拴，部件安裝通過螺栓連接起到定位、緊固的作（zuò）用。由（yóu）於安裝質量不髙及（jí）長期的振動都會引起（qǐ）結（jié）合部（bù）位的鬆動故障，影響到（dào）主軸及電機的（de）正常運行及安全。
如圖２－１０為主軸與電機栓接處力學模型，表示主軸，表示電機，Ｃ表示傳送帶，剛（gāng）度阻尼模型等效為其緊（jǐn）固（gù）、定（dìng）位作用的螺（luó）栓連接處。
圖２－１０主軸箱結合部力學模型（xíng）
轉子運行時的微（wēi）分方程為：
由於係統剛度、阻尼的（de）不穩定，工作狀態下的機械（xiè）結構呈現嚴重的非線性問超，發生鬆動部位的振動信號特征複雜多變。
２．５本章小結
本章首先對ＶＣＬ８５０立式（shì）加工中屯、的（de）結構特點進行了簡要介紹，並證明（míng）了故障原因不是由於自身的結構特點造成（chéng）的。重點分析了ＶＣＬ８５０主軸箱可（kě）能存在裝配故障的區（qū）域，對幾種主要裝配故障（動不平（píng）衡故障、不對中故障、鬆動故障、碰摩故障）的內（nèi）在機理進（jìn）行了詳細闡述；為接下來對ＶＣＬ８５０主軸箱區域的故障信號檢測（cè）提（tí）供理論支撐。
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