基于動態特性分析的機床主軸裝配故障診斷硏究（下）
2017-7-14 來源：北京交通大學 作者：李凱旋
６.裝配故障源位置識別的研究
上面章節通過對ＶＣＬ８５０主軸箱區域的信號檢測與分析，確定主軸箱可能存在動不平衡、角度不對中的裝配故障。但不確定產生故障的具體位置。角度不對中故障為例，在主軸帶輪配合處、電機帶輪配合處均可能為裝配不當的位置，并不確定在什么位置進行裝配調整，如圖６－１所示。這就是本章節研究的意義所在。
圖６－！主軸箱區域可調整的裝配位寬
在工況下，理想狀態的主軸箱區域振動信號成分簡單，故障源主要來自電機和主軸。由于加工制造、裝配等誤差的存在，在工作狀態下，會衍生出額外的激勵，由第二章可知：動不平衡故障導致離屯、力的出現；不對中問題衍生出二倍于轉速周期的激振力。裝配故障衍生的額外激勵，作用在相關位置，表征出成分更加復雜多變的振動信號，通過巧不同形式振動信號的檢測分析，判定機械故障。對機床進行故障診斷，首先利用相關的檢測手段，確定機械故障的類型，其次利用裝配故障源位置識別的方法確定產生振動信號來源的位置，進而針對性的進行調整，才能夠從根本上解決機械故障問題。
６．１裝配故障源位置識別的方法原理
本論文在假設機械系統是線性時不變系統的前提下，基于傳遞路徑分析的原理．對存在裝配故障的主軸箱區域的故障源進行識別。傳速路徑分析方法的核也在于研究機械系統自身的傳遞特性Ｗ及確定是否存在未知的故時源，本論文針對主軸箱區域力求建立一個較為完整的傳遞系統，并在此基礎上根據傳遞系統某幾點的響應特性，通過數值解析的方式確定研究區域的裝配故障源位置。
由圍６－２傳遞路徑分析模型可知：機械系統可被劃分為兩部分，稱之為主動部分、被動部分，主動部分包括：未知故障源和噪聲源區域，被動部分包括：傳遞系統和振動響應區域。未知故障源通過傳遞路徑到達響應區域。
假設某機械結構為線性時不變系統，Ｗ單自由度為例，將某機械結構等價為質量、剛度、阻尼共同組合的形式，且受到外界持續的激振作用，其動力學方程為：
傳遞函數的獲取可通過Ｗ下途徑：每一個傳遞函數可Ｗ用來描述一個激勵點自由度６對某一個響應點自由度之間的傳遞路徑關系，稱之為巧／．，針對某機械系統，假設布置ｎ個激勵點／響應點，則存在ｗ＝ｎ２個傳遞路徑，對于機械系統上的某一響應點，可認為是故障源通過各條傳遞路徑達到目標位置線性疊加的結果，即；
如果得到了某機械系統的傳遞函數矩陣，在裝配故障源位置未知的的情況下，可根據測得的響應點的振動響應信號利用數值解析的方式大致確定未知故障源的位置。即：
由（４－４ａ）可知，阻尼矩陣的存在，導致輸入信號與輸出信號存在相位差，多故障源激勵下的響應點是單點故障源線性疊加的結果。Ｗ兩點結構系統為例，對兩點分別施加單激勵，如園６－３所示。
綜上所述，針對某機械結構的故障源進行識別，大致可Ｗ分為Ｈ步：
（１）在非工作狀態下，對某機械結構上的各個傳遞路徑的源頭進行單點激勵，同時測量對應響應點的響應信號，建立頻響函數矩陣。激勵方式可為小鏈敲擊瞬態激勵的方式，也可采用激振器進行持續穩定的激勵。
（２）工作狀態下，測量機械結構上各個響應點的穩態響應信號。
（３）利用求得的頻響函數矩陣求逆，通過數值計算的方式求得機械結構上的未知故障源位置。
６．２裝配故障源位置識別的仿真分析
利用ＡＮＳＹＳ軟件的諧響應分析模塊對主軸箱的故障源進行識別，驗證實驗方法的可行性。實驗對象為主軸箱裝巧體，主軸箱的主要參數如表６－１所示。
表６－１主軸箱的主要參數
擬布置六個激勵點／響應點，對其一端采用固定約束的方式，如圖５＊４所示。首先對其進行模態分析仿真，確定其固有頻率，并分析固有頻率區間是否會對未知故障源的識別造成影響。
由模態分析結果可ｔＪｌ確定一階模態的固有頻率為％３．１６Ｈｚ，利用諧響應分析，對主軸箱裝配體的六個點分別單獨施加頻率在２００￣１０００Ｈｚ區間的穩態載荷激勵１０００Ｎ，如圖６－５所示。
圖６－５主軸箱裝配體的載荷設置
每個點單獨施加載荷時，得到六個點的響應特性，ｗ第－點麵為例，得到的六個點的響應特性曲線伯德圖如圖６－６所示（上曲線為幅頻曲線，橫坐標為頻率，縱坐標為加速度；下曲線為相頻曲線，橫坐標為頻率，縱坐標為角度）。
圖６－６單點激勵后的六點響應曲線
利用（４－８）式，得到了２００？ｌＯＯＯＨｚ區間的任意頻率處的頻響巧數巧陣，由表４－４可知：固有頻率處的相頻值比較接近，因此對機械系統進行故障源識別建議避開對固有額率處。選取分析頻率為２８０Ｈｚ的頻響函數幅頻矩陣如表６－２所示。
表６－２２８０Ｈｚ下的頻響函巧幅頻矩陣
由表６－２可知，阻尼系數為化００３，不同頻率的輸出響應與輸出信號存在相位差，２８０Ｈｚ對應的六點的相位信息如表６－３所示：
表６－３２８０Ｈｚ下的頻響畫數相頻矩陣
利用ＬａｂＶｌＥＷ分別對實部的結構巧陣和虛部的結構矩陣求逆求逆，然后對得到的實部、虛部的解析力分別平方求和開平方根，即得到實際的解折力。程序框圖如圖６－７所示。
（１）單故峰源識別
對主軸箱裝配體的任意某點分別施加載荷，得到六個點下的響應信息，例如對第六點施加３０００Ｎ的持續激勵用來模擬主軸箱裝配休在實際工況下的受力情況，如下閣６－８所示。
圖６－８單故掩源下主箱箱裝配體的受力情況
在實際載荷的激勵下得到六個點的響應信息如表６－４所示。
表６－４六個點的響應信息
利用（４－４）式求解六個點的實際受為情況如表６－７所示。
表６－５解析山的受力情況
由表６＞４、表６－５可知，某點單故障源激勵得到的各點的響應信息與頻響函數的某行存在比例關系，島兩者的相位信息是一致的。而頻響函數矩陣的獲取就是通過所有點的單獨激勵得到的。因此，實際利用數值解析得到的六個點的受力情況與實際十分符合，有效實現了故陣源的有效識別。只利用頻響函數矩陣的幅值信息，就可Ｗ實現對單故降源的有效識別。
（２）多故障源識別
對主軸箱裝酷體的任意兩點分別施加載荷，得到六個點下的響應信息，例如對第一點施加２０００Ｎ，第二點施加Ｉ０００Ｎ，用來模擬主軸箱裝配體在實際工況下的受力情況，如閱６－９所示。
圖６－９《巧障源下主軸箱裝配體的受力情況
在實際載荷的激勵下得到六個點的響應信息如表６－６所示。
表６－６六個點的響應信息
利用（４－４）式求解六個點的實際受力情況如表６－７所示。
表６－７解析出的受力情況
由表６－７可知，多故障源得到的各點響應信息實則是各點單故障源線性疊加得到的結果，因此相位信息也發生了改變。求解方式；分別提取各點響應信息的實部、虛部，對應與頻響函數矩陣的實部、虛部進巧計算求解，解析得到六個點的受力情況。由表６－７可知；解析出的受力與實際十分符合，有效實現了故虜源位置的有效識別。
６．３裝配故障源位置識別的實驗論證
以雙驅絲杠實驗臺上的彎板工件為研充對象，驗證本次方法的可行性，由于設備的局限性，只開展對單故障源識別的實驗驗證。分別采用力鏈和激振器兩種激勵方法對故障源進巧識別。彎板工件的布點如圖６－１０所示。
圖６－１０測試點布置
６．３．１力鍵敲擊實驗
首先利用力鍾對工件的四個點進行逐點敲擊，工件的一階固有頻率為巧２Ｈｚ，
選取分析頻率區間為５１２Ｈｚ，與此同時在四個點分別布置加速度傳感器，由此得到１６姐頻響函數．進而求得工件上四個點的傳迸兩數矩陣，實驗現場如圖６－１１所示。
利用力鍵對某一點進行敲擊，與此四點的加速度傳感器得到響應信息，構成四組頻響函數，在峰值處，頻響函數的相頻曲線較為集中，幅頻曲線還是存在較大差異。如間６－１２所示。
國６－１２某點滿勵下的四姐頻巧曲線
力鏈敲擊的質量對能否獲取正確的頻響函數曲線脊很大的影響。進而影響到對故障源位置的有效識別。假如設置力鍵敲擊五次，取五次平均值，利用相干性系數來評價五次力鍵敲擊的好壞程度。
就單輸入輸出系統而言，一般利用常相干分析。圖６－１３為單輸入輸出示意圖，圖中Ｈ（／）為系統的頻響函數。
圖６－１３單輸入輸出系統
例如某機械系統中存在輸入信號乂（ｔ），輸出信號＾〇；），引入互譜幅值的一個重要不等式：
某點的五次相干性系數如圖６－１４所示?？梢娫冢担埃浚保担埃龋l率區間的相干性系數接近１，此頻率區間的頻響函數矩陣是可信賴的。
對四個點中的第二點進巧敲擊，得到四個點的響應曲線如圖６－１５所示。
圖６－１５第二點激勵下的各點響應曲線
實際情況下，只能測得響應信息，另外根據之前獲得的傳遞歯數矩陣，求解判定故障源的位置。利用ＬａｂＶＩＥＷ編寫的程序對己獲取的信息進行求解，得到四個點的故障源幅頻曲線如圖６－１６所示。加速度傳感器的頻響量程在５？５０００Ｈｚ，ＯＨｚ附近的數值不予考慮，由圖６－１６可知，第二點處求解的振源曲線在５０Ｈｚ？１５０Ｈｚ
區間遠遠高于其他蘭點。因此解析得到的結果與實際相符，因此對故障源實現了有效的位置判別。
圖６－１６敲擊第２點解析得到的振源幅頻曲線
實際情況下，若要實現對圭軸箱區域故障位置的有效識別，必須保證對所有可能產生故障區域進行布點。但可能并沒有在故障區域布置測試點，建立全面的傳遞函數矩陣。如圖６－１７所示，實際激勵位置沒有在四個點上，利用此位置上激勵得到的四點響應信息，求解激勵。
如圖６－１８所示?？桑卓吹皆谙喔尚韵禂递^高的頻域，解析出的振源位置為第一點， 實際激勵位置與第一點比較靠近，因此解析得到的結果較為理想。
假如利用力鍵敲擊的實際激勵位置在彎板工件的中間位置，與布置的任何一點都不靠近，如圖６－１９所示。
圖６－１９不同點布局下的故障源識別
利用此點激勵得到的四點響應信息與傳遞函數矩陣進行計算，解析得到的各點振源曲線如圖６－２０所示。發現無法判定振源的實際位置。應對的辦法是對預判的故障源位置進行更加密集的布點。如圖６－２１所示，得到了理想的識別效果。
結論：有＾文上實驗可知：對故障源進行有效識別的前提：對某機械結構布置測試點，構造傳遞函數矩陣，一定要盡量包含可能存在故障源的所有區域，不一定布置的測試點恰好對應未知故障源處，但是遠離故障區域，將無法實現對未知故障源的有效識別。應對的辦法是對預判的故障源位置進行更加密集的布點。
６．３．２激振器激勵實驗
對某特定關屯、頻率的裝配故障源位置進行識別，可采用激振器的方式進行激勵，如圖６－２２所示。
實驗設備包括激振器、ＬＭＳ控制系統、功率放大器、ＰＣ機等。ＬＭＳ控制系統同時具備信號發生器和信號采集兩個功能，ＬＭＳ輸出特定頻率的正弦信號通過功率放大器，將信號放大輸入到激振器，激振器作用于工件上，給工件施加特定頻率的正弦激勵，與此同時，力傳感器和加速度傳感器將測得的信號采集到ＬＭＳ中。這樣形成了一套信號發送與采集的閉環系統。
由于激振器自身會受到５０Ｈｚ交變電壓信號的干擾，因此選取頻率要避免是５０Ｈｚ的倍數，選擇特定頻率為２１２Ｈｚ，每次給定５Ｎ左右的激振力，同時對四個點的加速度信號進行采集。測試界面如圖６－２３所示。
從左到右，從上到下一次為激振時域信號、激振頻域信號、某點的時域響應信號、頻響函數曲線。
利用激振器得到的２１２Ｈｚ處的頻響函數矩陣如表６－８所示。
表６－８２１２Ｈｚ下的頻響函巧矩陣
第四點進行激振，只利用在此點激勵下的響應信息判定激振點位置。解析得到的四點激勵如表６－９所示。
表６－９解巧出的受力情況
由于外界的交變電壓信號、隨化噪聲等干擾，頻響函數矩陣經過逆矩陣變換會產生很大的數值變化。解析出的激勵幅值與實際并不相符。可對解析得到的所有激勵信息求和，然后計算各點的激勵信息與總體激勵信息的權重關系。
利用（４－１３）、（４－１４）顯然第四點所占的權重最大，占７８．８％，由Ｗ上信息可知，利用激振器同樣實現了對故障源位置的有效識別。
針對主軸箱民域可能引發角度不對中的位置布置測試點，如圖６－２４所示。
圖６－２４主軸｜ｇ區麵試點的布局
關心頻率區間為二倍于轉速的頻率附近。首先在離線狀態下建立測試點之間的傳遞函數矩陣，然后在工作狀態下利用加速度傳感器對主軸箱區域進行優化布置，獲取準確有效的響應信息，對未知裝配故障源的位置進巧識別判定。
６．４本章小結
本章承接上面章節，通過開展信號測試與分析的實驗研巧，確定了主軸箱區域存在動不平衡、角度不對中等裝配故障，明確了不同類型裝配故障所對應的信號特征。本章對＂判別特定類型裝配故障的位置＂這一問題開展研究?；趥鬟f路徑分析的原理，對裝配故障源位置識別的理論基礎進行了簡要介紹，利用ＡＮＳＹＳＷｏｒｋｂｅｎｃｈ有限元軟件采用諧響應分析的方法對主軸箱裝配體上的六個測試點進行仿真分析，對裝配故障源位置進行了有效識別。分別采用力鍵、激振器兩種激勵方式對上述方法進斤實驗論證，均得到了較為理想的結果，實現了對裝配故睹源位置的有效識別。
７.結論
７．１結論
裝配是工程機械領域的重要環節，裝配精度與機床的加工性能緊密相關，能夠準確診斷出裝配環節的故障類型、發生故障的位置，對于指導現場工人迅速排除裝配故障，保證機床高質高效的出廠具有重要的指導意義。本論文在前期大量調研現有文獻的基礎上，Ｗ南通科技生產的ＶＣＬ８５０立式加工中屯、主軸箱為實驗對象，對不同的裝配故障形式的信號特征、故障特征識別方法、故障源位置識別等內容進行了較為深入的研巧。
本論文從上述完成的主要研巧內容分為＾式下方面；
（１）Ｌ＾ＬａｂＶ圧Ｗ為開發平臺，構建了用于信號采集處理與分析的測試系統，具有數據采集和保存、降噪濾波、時頻域分析、軸也、軌跡測試、相位檢測、軸必軌跡識別等功能。
（２）基于模態動能法與有效獨立法的原理，利用有限的傳感器尋找主軸箱區域的最佳測試點，為解決運行狀態下傳感器優化布置的問題提供了一種思路。
（３）通過對采集的加速度信號進行分析發現：主軸箱區域的基頻、二倍頻信號特征突出，主軸在徑向的基頻幅值與轉速存在正相關關系，證明主軸區域可能存在動不平衡問題；主軸在不同轉速下的軸也軌跡呈外八字形，且基頻、二倍頻信號明顯。通過與正常工作的機床主軸的軸也軌跡進行對比，確定ＶＣＬ８５０存在主軸與電機角度不對中的裝配問題。
（４）基于ＳＶＤ和不變矩兩種方法Ｗ巧也軌跡作為判定故障類型的特征指標，對ＶＣＬ８５０主軸的軸屯、軌跡進行判定，識別出主軸箱存在角度不對中的裝爾故障。取得了較為理想的效果。
（５）基于傳遞路徑分析的原理，對ＶＣＬ８５０主軸箱區域的故障源位置進行識別：并利用ＡＮＳＹＳＷｏｒｋｂｅｎｃｈ［＾＾１主軸巧為對象進行了仿真分析，有效實現了主軸箱區域故障源位置的判定。通過：開展實驗針對某化械結構，采用激振器、力鏈兩種不同的激勵方式模巧實際工況，論證了本方法的可行性。
７．２工作展望
本論文Ｗ南通科技生產的ＶＣＬ８５０為實驗對象，對主軸箱區域的裝配故障進行診斷，力求建立一套行之有效的裝配指導方案，機床出現故障問題時，工人可通過本論文成果確定裝配故障問題的類型，找到發生裝配故障的具體位置，保證在出廠階段，有效排除機床的裝配問題。由于客觀條件的限制レッ及本人的能力有限，對于本論文的研巧工作遠不夠完善，接下來可在ａ下幾方面開展研兜：
（１）雖然利用電禍流位移傳感器對兩個機床的主軸軸屯、軌跡進行了測試，但并未對掙在問題的機床主軸箱進行裝配調整。另外機械松動、碰摩故障的轉子軸屯、軌跡特征表現形式應該開展大量的實驗，反復論證。
（2)本論文對故障源位置進行識別，在信噪比較為理想的狀態下開展實驗，取得了理想的結果。實際工況下的故障源復雜多變，環境噪聲強烈，還要在實際工況下的機床主軸箱上開展實驗，并對本方法進一步完善。
投稿箱：
如果您有機床行業、企業相關新聞稿件發表，或進行資訊合作，歡迎聯系本網編輯部， 郵箱：skjcsc@vip.sina.com
如果您有機床行業、企業相關新聞稿件發表，或進行資訊合作，歡迎聯系本網編輯部， 郵箱：skjcsc@vip.sina.com
更多本專題新聞
名企推薦
專題點擊前十
| 更多
