數控雙柱立式車床變速箱箱體噪聲診斷研究（上）
2017-2-9 來源：齊重數控裝備股份有限公司 作者：李金龍 孫永超
摘要：本文針對數控雙柱立式車床變速箱噪聲故障的機理研究，分析變速箱典型故障振動頻率特性，利用OneproD—MVP—2C的配套軟件Graph提取變速箱的振動信號，進行同態解調分析，從而提取出數控雙柱立式車床變速箱的故障特征信息，體現了變速箱故障特征在時域和頻域里的對應性，彌補了時域分析、幅值譜分析這兩種方法的不足，并達到了理想的工程應用效果。
本文研究內容取源于對齊重數控裝備公司的數控雙柱立式車床的研究，通過對變速箱信號的采集、分析、特征提取、狀態監測和故障預報與診斷工作，對機床主變速箱進行狀態監測與故障診斷，實現快而準的工程應用效果，從而達到理論成果應用于工程實際，并進一步轉化為生產力的目的。這一研究將為該機床減少維修費用和因故障停產所帶來的損失帶來可觀的經濟效益，對于機床設備維修體系的科學管理具有現實意義。
變速箱原理結構分析本文研究的對象為齊重數控裝備配備在DVT500×25/50Q—N C 數控雙柱立式車床上的ZSY630型變速箱，其結構如圖1所示。工業現場采集到的振動信號中既含有調幅現象又含有調頻現象。
1. 數控雙柱立式車床變速箱傳動方式分析
DVT500×25/50Q—NC型數控雙柱立式車床承擔著加工形狀復雜回轉類零件的生產任務。機床的正常運行是加工質量的保證。傳動機構是該機床的關鍵性機構。立式車床的傳動包括電動機、展開式減速箱和聯軸器三大部件。
2. 機床主軸電動機主要參數
機床主傳動由75kW直流電動機驅動，此電動機為廠家定制電動機，其參數如表1所示。
3. 數控雙柱立式車床變速箱傳動機構主要參數分析變速箱主要參數如表2所示。主傳動轉速分布如圖2所示。
測試儀器配置與診斷方案確定
1.測試儀器配置
變速箱振動噪聲診斷一般以箱體振動速度的測量作為首要選擇的參數，振動速度的均方根值就是振動烈度。由于數控雙柱立式車床的變速箱結構復雜，傳遞途徑多，所以采用可以對振動速度或加速度進行頻譜分析的測試儀器，即振動加速度傳感器，同時配置可以進行簡易頻譜分析的數據采集器和相應的振動分析軟件。本次測試采用的是法國01dB公司，基于MVP—2C分析儀模塊的型號為OneproD手持式測振儀以及相配套的軟件Graph。其主要參數如表3所示。其測試系統工作原理如圖3所示。
表1 電動機主要參數
圖2 變速箱主傳動轉速分布
2. 數控雙柱立式車床變速箱診斷方案
（1）簡易診斷。簡易診斷即采用便攜式測振儀oneproD—MVP—2C對變速箱的各主要測點進行檢測，檢測物理參量為振動位移峰－峰值和振動速度均方根值，即振動烈度。同時，簡易診斷所有數據都按時間保存在檔案中。以便和后來的作比較，還可以畫出其趨勢圖。
表2 變速箱主要參數
表3 OneproD—MVP—2C測試儀基本參數
（2）精密診斷。主要指利用FFT分析、細化分析、倒譜分析、同態解調譜分析和小波分析等方法來進行振動信號的分析和處理，從而判斷故障的類型、部位和程度。精度診斷結果也得按時間保存在檔案庫中，以便和以后做類比。
（3）測點合理布置。在振動信號采集過程中，測點是否合理布置直接影響信號的真實性與準確性。布置測點應注意以下事項：①所布置的測點要牢固不得松動。②測點應布置在軸承或軸承座附近，這是反映齒輪振動信息最集中，振動特征最敏感的部位。要盡可能選在聯接剛度較高的地方而且安裝面要光滑。③測點應直接安裝在相關被測零件上，如果通過不同零件聯接，會對其振動能量產生影響，使振動信號不準確。④盡量保持每次測量時測點安裝位置，齒輪傳動的工況條件、測試方法一致。
（4）測試時間。本次對數控雙柱立式車床的振動噪聲檢驗共兩次，中間間隔10天。分別在第一次和第二次對振動噪聲進行檢測。每次分別進行簡易診斷和精密診斷。以保證診斷分析的正確性。
（5）測試選用擋位。現場觀察發現在主軸轉速為13r/min時，振動和噪聲較大，故測試時選擇了此擋傳動鏈。在此擋位下變速箱內各軸的基本參數如表4所示。
3. 數控雙柱立式車床變速
箱故障診斷與分析研究根據制定的變速箱振動噪聲測試與診斷方案， 兩次對DVT500×25/50Q—NC數控雙柱立式車床進行振動噪聲信號采集工作，并分別以簡易故障診斷和精密故障診斷兩種診斷方法，對運行中的變速箱進行了故障診斷與分析研究。
由于V軸、Ⅵ軸和Ⅶ軸壓在機床底座內，不易測量，故只測Ⅰ軸、Ⅱ軸、Ⅲ軸和Ⅳ軸。測點具體分布如圖4所示。測量Ⅰ軸時，通過測量離軸承最近的箱壁得到I軸的振動信息。變速箱簡易診斷對于此臺機床的變速箱，對其進行了兩次簡易診斷，診斷參數主要為振動烈度Vrms（振動速度有效值，單位mm/s）。
1. 診斷數據
表5所示為第一次和第二次兩次對變速箱的簡易診斷數據。所測得的主要數據為垂直方向（V）、水平方向（H）和軸向（A）三個方向上的振動烈度。根據設備振動的評估標準如表6所示。
2. CLASS設備分類
分類Ⅰ ： 在正常運行條件下，與整機連成一體的電動機或機器的單獨驅動部件功率在1 5kW或15 kW以下。分類Ⅱ：無專用基礎的中型機器，電動機或驅動部件功率在15～75kW。
分類Ⅲ：具有旋轉質量、安裝在剛性重型基礎上的大型原動機和其他大型機器。基礎在振動測量方向上相對是剛性的。分類Ⅳ：具有旋轉質量、安裝在剛性重型基礎上的大型原動機和其他大型機器?；A在振動測量方向上相對是柔性的（如輸出功率大于10MW的汽輪發電動機組）。
表4 在此擋位下變速箱內各軸的基本參數
表5 變速箱各測點簡易測振的振動烈度值
表6 設備振動評估標準
此機床的變速箱由75kW直流電動機驅動，設備分類為第二類。測點1、測點2、側點3、測點4、測點5、測點6、測點7和測點8的振動烈度值遠遠超過D區的上限7.1mm/s，達到停機值。特別是這些測點（除測點8）的軸向振動烈度值更大，測點8的水平方向振動烈度表現最為強烈。
3. 簡易診斷結論
從上述簡易診斷的振動烈度值可以初步判斷，該機床的變速箱存在著一定的故障，需要用精密診斷診斷出變速箱故障的確切信息。
變速箱精密診斷簡易診斷的特征決定了它只能初步判斷齒輪箱有無故障存在，而不能確定故障的類型、部位。因此，簡易診斷為下一步精密診斷劃定了診斷范圍，給進一步確定故障信息打下了基礎。以下針對簡易診斷過程中振動烈度嚴重超標的典型測點進行精密診斷，即利用FFT分析、細化分析、倒頻譜分析及同態解調分析等方法來進行振動信號的分析和處理，從而判斷故障的類型、部位和程度。
1. 測點8精密診斷分析
（1）測點8振動時域信號和FFT變化幅值分析，如圖5、圖6所示。
（2）測點8同態解調分析，如圖7所示。
測點8 信號的同態解調譜分析結果表明： 故障調制信號主要為f r2（16.075H z）及其倍頻，另外還有突出的Ⅳ軸轉頻f r4（10.72Hz）及2fr4的調制成分。
圖5 測點8振動加速度信號時域信號
圖6 測點8的FFT變換幅值譜圖
圖7 測點8同態解調分析譜圖
（3）測點8分析結果。從測點8的上述分析可知，一級嚙合頻率f g1及其高次諧波2f g1、3f g1，且在它們周圍存在大量的以II軸轉頻fr2（16.075H z）的調制成分； 另外， 還存在二級齒輪嚙合頻率f g2及其高次倍頻2f g2、3f g2、4f g2，由此可推斷一級齒輪副的齒輪Z2（43齒） 有嚴重故障。
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