（机械制造及其自动化专业论文）机床主轴组件振动检测与评估技术研究.pdf

硕士学位论文 摘要 主轴组件是机床中的一个关键组件，在主轴的动态参数中，振动是最重要的 问题之一，包含了丰富的运行状态信息，是一个动态状态信息库。检测主轴的振 动可以了解主轴的动态运行情况，对其进行综合分析评估和诊断。目前国内行业 此方面落后于国外以及我国台湾地区同行业的技术水平。 主轴的振动受制造、结构、安装及机床整体装配等很多因素影响。不同故障 会在振动信号以不同的形式中体现出来。 主轴组件在运转时，有很多信息通过振动、温度状态等表现出来，研究这些信 息可以认识其运行特征。利用一系列的传感器接收其动态信息并将其转化为电信 号，输入到信号采集模块，经过处理后，再输入到p c 机或专用的分析设备，利用 轴心轨迹图、轴心位置图、振动波形图、频谱图等方式显示出来，可对其状态进 行分析评估。 虚拟仪器是电子测量技术和计算机测控技术的前沿技术，它将计算机的采集、 测试、分析与处理引入到电子测试领域，利用数字化技术和软件技术极大地提高了 测试系统的灵活性和可扩展性。利用l a b v i e w 软件，设计了评估系统的分析软件。 探讨了综合评估的方法。 关键词：主轴组件；振动；动态评估；虚拟仪器 机床主轴组件振动检测与评估技术研究 a b s t r a c t t h ev i b r a t i o ni i ls p i n d l eo ft h em a c m n et o o l si so n eo ft h e v e 珂i m p o r t a i l tp r o b l e m ni sas t o r e r o o mi nt h ed y l l 锄i cp r o b l e mo fm em a c h i n et o o l sw l l i c hi n c l u d em a i l y i n f o r m a t i o no fm ed y n 锄i cm o v e m e n to nt h ee q u i p m e n t t bd e t e c tt h ev i b r a t i o ni n s p i n d l ec a nm a l ( et h es p i n d l eb e e ns e e nf o rs o m ea n 酉eo fp o i n t ，a i l dm a l ( ei tb e e i l a n a l y z e da n dd i a 印o s e d t h e1 e v e lo fi n d u s 白哆i no u rc o u l l 仃yi sb e h i n do fo v e r s e a sa n d t 1 1 ea r e ao fc h i n e s et i a i w 觚 t h ev i b r a t i o ni ns p i n d l eo ft h em a c l l i n et o o l si si i l n u e l l c e db yi t sm a l 【i n 舀s n l l c t u 舱 a n df i t t i n g ，a 1 1 dd i 腩r e n tf a u l tc a l lb ef o u i l di nd i 仃e r e n tf 0 咖 w h e ni ti s m r u l i n g ， t h e r ea r em a l l yi n f o m a t i o n ，w i l i c hc 趾h e l pu sl 【i l o w i t s c h a r a c t e r ，b ef o u n d 丘。o mt h ev i b r a t i o n ，t e m p e r a t u r ea n ds oo n t h i si n f o 肌a t i o ni s i n c e p t e da j l dc h a n g e di n t oe l e c t r i c i t ys i 印a lb yas 嘶e so fs e n s o r t h e ni ti st r a n s p o r t e d i n t om ei n f o 肌a t i o n g a t h e r e dm o d u l e ，a r e rd e a l i n gw i t h ，g oi n t om ep co rs o m e e q u i p m e n tt ob ea i l a l y z e d t h er e s u l ti ss h o w e di nt h ec h a r to fa x e st r a c k ，t h ec h a na x i s l o c a t i o n ，v i b r a t i o nw a v e 黟a p h ，s p e c t r u mg r a p h ，t oa n a l y z ea n de v a l u a t ei t sc h a r a c t e r t h ev i n u a li n s t n 蛐e n ti san e wo e n t a t j o ni ne l e c l r o n i cm e a s u r e m e n ta r e a t h e v i n u a li n s t m m e n ti sa na d v a l l c e dt e c l l i l i q u eo fe l e c t r o l l i cm e a s u r e m e n ta i l dc o m p u t e r m e a s u r ea r 】i dc o n t l 0 1 w ed e s i g nt h es o f 时a r et oa n a l y z ea 1 1 de v a l u a t et h es p i n d l ew i t h l a b v i e w t h em e t h o dt od i a 盟o s es p i n d l ei s 西v e n k e yw b r d s ：s p i n d l el l i l i t ； b r a t i o n ；d y n 撇i ce v a l u a t i o n ； n u a li n s n l 瑚耐 硕士学位论文 插图索引 圈2 1 主轴缝昝结构图6 图2 2 初弯曲单盘转子模型示意图1 4 图3 ，董故障诊断实施过程2 4 图3 2 系统总体结构框架2 4 图3 。3 振动试验台示意图一2 5 图3 4 主轴参数检测示意图2 6 图3 5 涡流效应示意图2 7 圈3 6 毫涡流传感器检溅电路框图2 8 图3 7 各探头之间的距离2 9 豳3 。8 典型红羚系统框鹭3 0 图3 9 红外测温电路原理框图3 1 图3 1 0 光电场效应管基本原理及电路图3 3 图3 i l 数据采集卡功能结构图3 5 图3 1 2 被测信号的输入方式一3 8 豳4 1 虚拟仪器结构图稻 图4 。2 虚拟仪器体系结构4 l 图4 + 3 信号分橱流程图4 5 图4 4 信号流程、系统控制关系图4 5 图4 5 系统嚣面板图4 s 图4 6 主程序功能结构图4 9 图4 7 功能模块流程图5 0 圈4 8 原始波形与频谱分析l a b v i e w 程序5 0 图4 。9 轴心轨迹和轴心位置显示的l a b v i c w 程序5 l 图4 1 0 辘心位置魄较5 l 图4 1 1 转速、温度及其他参数分析的l a b v i e w 程序5 2 圈4 。1 2 设备状态监测与故障诊断系统主要环节5 2 图4 1 3 评估分析过程图5 3 附表索引 表2 1 按频率大小的振动分类l o 表3 1 各种型号探头之间最小距离2 9 表3 2 各种滤波器的作用3 4 表4 1 转子不对中的振动特征5 4 表4 2 转子弯曲的振动特征5 4 表4 3 转子不平衡的振动特征5 5 表4 4 动静件摩擦的振动特征5 5 表4 5 转子支撑部件松动的振动特征5 6 表4 6 转轴横向裂纹的振动特征5 6 表4 7 不同环节对主轴质量的影响因素5 7 兰州理工大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所 取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任 何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的 法律后果由本人承担。 作者签名：昌杉求日期：7 口驴占年莎月夕日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留并向国家有关部f j 或机构送交论文的复印件和电子版，允许 论文被查阅和借阅。本人授权兰州理工大学可以将本学位论文的全部或部 分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段 保存和汇编本学位论文。同时授权中国科学技术信息研究所将本学位论文 收录到中国学位论文全文数据库，并通过网络向社会公众提供信息服 务。 作者签名： 导师签名： 童 善冰 日期：zo 瞬 西期秽鹕箨 月形日 参胃l 痧冒 硕上学位论文 第1 章绪论 1 1 本课题背景及研究意义 1 1 1 课题的背景 2 0 0 6 年，国务院发布的国家中长期科学和技术发展规划纲要( 2 0 0 6 2 0 2 0 年) 中提到：“制造业是国民经济的主要支柱。我国是世界制造大国，但还不是 制造强国”【i 】：随着世界产业向发展中国家转移，我国正日益成为制造业产业基 地，国际经济界普遍认为，中国将成为世界工厂。 现代信息技术、新材料的发展，特别是微型计算机的普及应用，推动现代机 械制造技术发生了深刻的发展，概括起来主要表现在两个方面，一是向着以提高 产品加工的生产效率为主的高度自动化方向发展，另一个是向着以提高产品质量 为主的精密化方向发展。 机床工业是机械制造业的重要组成部分，体现了一个国家制造业的发展水平， 也是机械工业发展和振兴的重点领域。目前，我国机床工业发展非常迅猛，已取 得了很大的成绩，但还有很多的薄弱环节。在技术方面，机床行业许多关键性技 术( 如刚性、热变形、振动、噪音、精度补偿等) 没有从根本上解决；发展机床 所需的基础技术和应用技术科研工作薄弱。很多关键零部件和关键技术都是从国 外进口大量的i 引。 我国机床检测技术落后的现状给行业发展造成了很大的阻碍，这个问题必须 尽快给予解决。高进口率的关键零部件和技术会给产业的发展带来极大的风险【3 】。 事实上，发达国家一直对我国进行技术封锁，合资企业往往只是成为他们的终端 加工基地。核心的技术是无法买来的，只有靠自己开发、研究才能真正的解决问 题。 目前国内机床行业对主轴的动态检测与评估方面还较为落后，缺乏系统的研 究与适合工厂实际应用的方法和设备。企业大多只限于静态及某几个动态参数的 检验；一些高校和科研院所在这方面也做过一些工作，但离工程应用尚有一段距 离。 1 1 2 课题的研究意义 主轴组件是机床中的一个关键组件，它的功能是支承并带动工件或刀具完成 表面成形运动，同时还起着传递运动和扭矩、承受切削力和驱动力等载荷的作用。 机床土轴组件振动榆测j 讦估技术研多 主轴组件的运行情况直接影响到工件的加工精度、刀具寿命与加工效率，机床的 高速化也对主轴组件提出了更高的要求。 在主轴的动态参数中，振动是最重要的问题之一。引起主轴振动的因素很多， 包括：主轴本身结构、装配质量、轴承精度和刀具系统、润滑系统等问题【4 】。 主轴的振动信号包含了丰富的运行状态信息，是一个动态状态信息库【5 】。检测 主轴的振动可以了解主轴的动态运行情况，对其运行状态做出综合分析评估，诊 断其结构、装配、轴承、润滑等问题，为评价主轴综合性能进而改证其缺陷提供 技术支持。当前国内的机床行业对于主轴参数的检测大多只限于静态参数测定， 检测的方法也比较原始，缺乏对主轴以及机床整体性能的评估，远远落后于国外 以及我国台湾地区同行业的技术水平，已经成为制约我国机床主轴行业发展的瓶 颈之一。 随着我国机床行业的发展，主轴的动态参数的检测有更加重要的意义。高速 切削加工是切削加工发展的主要方向之一，高速主轴是高速切削的关键技术之一， 机床行业急需丌发研制高速主轴。高速主轴在制造和应用中，振动是一个重要问 题。高速主轴在，l ：发研制中也需要一系列的科学手段和先进仪器对其检验，在我 国机床行业内缺乏针对高速主轴振动的检测与评估技术和仪器，技术难题急需解 决。 美国s e t c o 公司在谈到他们的主轴振动数据库时说：“对每一个主轴在出厂前 都要记录下它的振动特性，而每一个特性都是独一无二的，显示出不同的频率。 我们能在主轴的频率图上做一番研究，之后说出它是正常或不正常”。而国内机 床行业还远远达不到这种状态。 本课题重点研究加工中心主轴组件的振动检测与评估问题。在主轴制造阶段， 利用振动检测的方法对主轴组件进行振动检测与分析，可以了解主轴组件的状态， 有哪些问题需要进行修正解决，给生产提供技术支持。在机床销售阶段，一张清 晰的主轴的振动状态图能大大提高生产企业的产品信誉度，为企业的市场竞争提 供强有力的支持。 国内机床生产厂家在产品出厂时，缺少一系列客观、准确的评价参数，产品 质量说服力大打折扣。国外和我国台湾地区的同类产品都附有产品的出厂振动试 验数据，作为其性能和主轴质量的证明。企业急需有说服力的主轴组件振动检验 技术应用于产品质量检验，为产品的改进提供技术支持，为产品的质量提供强有 力的证明。 机床的主轴部件属做高速回转运动的旋转件，对于此类机械设备的振动检测 与评估在国内外机械状态评估与故障诊断界并不陌生。国外在此方面较为成熟， 国内虽较国外发展迟一些，但也已经达到一定的水平；有大量的理论资料和实例 可供参考。此类技术在我国石化、电力、冶金、航空、核反应堆、交通等行业都 硕上学位论文 得到广泛的应用，在机床行业的利用也有一些研究，但总体应用还不多。 本课题与机床厂合作，由机床厂提供研究对象，双方发挥各囱优势共同进行 研究工作。课题研究在借鉴前人的研究成果的基础上，利用成熟的振动理论及检 测技术，通过集成创新应用在机床主轴的检测中。与企业结合，可以有比较明确 的研究对象，并与企监进行有效的信息交流与反馈，结合实际进行调整和检验， 加速研究的进行。更为重要的是：所做的研究工作与工程实践紧密结合，解决存 在的技术难题。 1 2 国内外研究现状综述 振动是物质世界存在的基本形式之一，世界万物都存在振动与波动润题，在 很多领域，振动都作为一个基本问题进行研究。振动( 包括声学) 学科原属于物 理学或力学的范畴，力学理论和数学方法是研究振动的理论基础和有力工具。机 械学作为力学、数学、材料学等学科的交叉应用学科领域，振动是一个要加以研 究和解决的基本问题【6 】。随着振动理论的日臻完善和现代测试技术、计算机技术的 发展，利用枫械设备的振动信号进行分析，把它们的运行信息提取出来，已经成 为人们了解设备的运行状态，进行设备状态评估和故障诊断，进而加以解决设备 问题并加以优化设备的重要手段。据统计，机械故障9 0 可以从振动测量中检测 出来。旋转机械常见的缺陷有：轴( 转子) 不平衡、安装不对中，轴承的油膜振 荡，转轴的初始弯曲、热弯曲、摩擦热弯曲，半速涡动，共振，部件松动，转轴 结构缺陷等。这些故障在祝械运转中将产生各种振动信号，丽某一振动信号可以 反映各种故障，从而为旋转机械的振动检测与状态判定提供了依据【8 】。 荆用振动信号进行设备检测与评估技术是在圆外首先发展起来的。美圃是最 早开展设备状态监测与故障诊断工作的国家之一。美国执行阿波罗登月计划中， 发生了一系列由设备故障酿成的悲剧；有鉴于此，在n a s a ( 美网宇航局) 的倡 导下，成立了m 黯g ( 美国机械故障预防小组) ，有组织的开发设备监测与诊断 技术。英国以r - a c 0 1 1 a c o t t 为首的机器保健中心于2 0 世纪6 0 年代末开始研究状 态监测与故障诊断技术。欧溯其它国家在趁领域都在菜一方面具有特色或占据领 先地位f 9 】。同本在密切注意世界各国动向的同时，也积极发展在民用工业的设备状 态监测与故障诊断技术。 在理论研究方面，国外有大量的文献来论述这一方面的发展。美国b e n t l y r o t o f d y n a m i c sr e s o a r c hc o r p o r a t i o n 公司的a 朗e sm u s z ”s k a 和p a u lg o l d m a l l 研究了不 平鸳转子轴承定子系统在松动或摩擦f 嬲混池运转现象强引。在大量的理论分析和 实验数据的基础上，巴鼯u n i v e r s i t yo fr i og r a n d e 的h u m e r t oc p i c c o l i 和u n i v e r s i t y o f c 蝴p i n a s 的h a l l sl 。w 曲e f 研究了转f 嬲在碰摩状态下的混沌运动现裂】。德国 的s e k h a ra s 利用模态分析和动力学分析研究r 转子系统中不平衡与裂纹故障鉴 机床主轴纽f ， 振动榆测j 计估技术研究 别。韩国a j o uu n i v e r s 时( 亚洲大学) 的j o n g d u km 0 0 n 在他的论述中介绍了在高 速旋转的转子系统上在线调整动平衡的方法。在多传感器的综合进行故障诊断方 面f 1 2 】，加拿大u n i v e r s i t yo fw a t e r l o o ( 滑铁卢大学) 的o t m a nb a s i r 撰写文章加以 论述【1 3 】。加拿大u n i v e r s i t y o f b d t i s hc o l u m b i a ( 大不列颠哥伦比亚大学) 的y u z h o n g c a o 和y a l t i n t a s 论述了在仿真磨削操作中的转子轴承和机床系统的建模l l4 1 。在 较多的工程实践的基础上，技术人员也总结出大量的实用经验，形成了一系列较 成体系的理论和规范。美国人j s s o l l r e 在6 0 0 多次事故分析的基础上，根据经验 编制出了旋转机械振动原因分析表【15 1 。他将3 0 多种故障按主要频率分量、主要振 动方向、位置以及振动随转速变化情况等方面的特征分类统计，形成一张故障振 动特征概率表，后又经美国m o s a n t o 石油化工公司的c j a c k s o n 对此表进行补充修 改，迄今仍在行业内的旋转机械状态检测与故障诊断分析和研究人员引用。可以 说，在振动研究与应用多个方面，国外都走在前面。 国内利用振动来判断机械设备的运行状态起步较晚，但发展很快。1 9 7 9 年以 前，一些大专院校和科研单位结合教学和有关设备诊断技术的研究课题，逐渐丌 展对该技术的理论和小范围的应用研究【16 | 。近年来，我国的设备检测与故障诊断 技术水平同发达国家的差距已大大缩短。目自i ，设备动态状念检测( 监测) 与状 态诊断技术在石化、电力、冶金、航空、交通、核反应堆等行业得到广泛的应用【17 1 ， 在工程应用中积累了大量的实践经验；形成了一系列叮供使用现场的技术规范和 经验。国家质量监督局也发稚了代号为g b t1 1 3 4 8 1 1 9 9 9 的旋转机械轴径向振动 的测量和评定国家标准【l 8 】【l9 1 。种种迹象表明，国内在利用振动信息对机械进行评 估和诊断领域，已经有了相当程度的工程应用。 在学术研究方面，国内大专院校在投入了巨大的力量，在一些方面有所进展。 利用振动信息，在大型水轮机组监测【2 0 】【2 2 1 、轴承以及齿轮故障判蝌2 1 】【2 3 】、旋转设 备主轴监测与故障珍断等领域【2 4 】【2 5 】【2 6 】，国内都发表了大量的论文。尽管如此，目 前国内在这一领域的发展还远远不能满足工程实践的需要，并且还存在一些问题。 东南大学振动控制与信息系统研究所的陆颂元等三人在文献中对目前我国这一领 域存在的问题提出了自己的看法，虽是一家之言，但也有一定的借鉴价值。文献 提出：“根据近年本领域发表的大量论文看，当前，我国故障智能诊断研究从目 的、内容、方法，到研究结果，均严重脱离工程应用实际。应用技术的开发 研究没有取得关键性进展；1 27 j ”现有的技术“远不能满足生产实际的需要， 研究工作人员的思路不当，缺乏来自诊断方法、故障机理的深层次的理论和技术 支持，缺乏将大量宝贵的现场实际诊断经验有效地融入诊断是研究成效不大 的主要原因。” 1 3 本论文研究的主要内容 顾十学位论文 本文针对加工中心主轴组件的振动检测与分析评估技术，利用主轴的振动信 号的“动态状态库”功能，运用振动理论和旋转类机械故障诊断技术综合研究主 轴组件的工作状态，可作为其质量评价的技术参考；结合其它理论和资料，可进 而探索诊断主轴组件的结构、安装缺陷的方法；采用豳前国内市场上已较为成熟 的检测仪器模块式构建方法，选择适合本课题检测任务的仪器功麓模块，将适合 的模块进行组合、拼装，构建检测与分析系统。本论文的主要内容包括以下几个 方面： ( 1 ) 本文首先对主轴组件工作原理及结构特点进行分析研究，探讨适合它的 信息检测及故障诊断方法； ( 2 ) 研究加工中心主轴组件振动检测与动态评估系统的构建方法，振动、温 度等相关信息的收集方法； ( 3 ) 设计了主轴组俘的振动检测实验台，利用涡流传感器、红终热传感器、 光电传感器等器件收集主轴组件的综合信息，编写数据分析软件，对其进行一系 列的数据综合分析； ( 4 ) 对主轴综合评估技术进行了探讨。 1 4 本章小结 本章介绍了主轴动态检测与评估技术的背景，机床主轴的振动影响及其动态 状态信息库功能，主轴动态检测技术在我国机床行业的技术现状，工程应用的意 义。国内辨学术和工程领域对设备的振动现象进行了大量的研究，国内振动诊断 已有很大的发展，但也存在一些研究脱离工程实际的缺陷。介绍了本论文研究的 凡个主要方面。 机床 轴组件振动榆测j 评估技术研究 第2 章研究对象的介绍及其诊断理论 2 1 研究对象的介绍 主轴组件的主要功能是支承并带动工件或刀具，完成表面成型运动，同时还 起到传递运动和扭矩、承受切削力和驱动力等载荷的作用，其工作情况对整机性 能、加工质量都有较大的影响。主轴在运转过程中因其设计、制造、装配等缺陷 以及其它因素影响会产生振动。主轴的振动影响加工表面的质量，限制机床的生 产率；影响组件的温升、变形等参数；对刀具耐用性和机床零件的寿命造成不良 后果，造成噪声污染等。在机床向高精度、高生产率的方向发展，对其抗振性能 的要求越来越高。 主轴的振动信号是一个动态状念信息库，它可以反映出组件的设计、制造、 装配等问题，结合其它参数研究主轴的振动信号，可以了解主轴的动态运行情况， 进而对其运行状态做出综合分析评估，诊断出其结构、装配、轴承、润滑等问题。 本文以某型号的铣削加工中心主轴组件以对象进行研究。其结构见图2 1 。组 件采用= 三支承方式固定主轴，前端为对角接触球轴承，中间采用与一个前端同 型号的轴承，后端采用一对角接触球轴承；前后两个轴承组为丰要支承，中问轴 承为辅助支承。主轴的动力山同步带轮传入。在主轴内部安装有刀具夹紧装置及 松刀装置。主轴的转速为6 0 0 0 r m i ”8 0 0 0 r m i n 。 l 、组件套筒2 、前轴承3 、主轴4 、刀具夹紧机构5 、轴承6 、拉杆 7 、蝶簧8 、后轴承9 、i j 步带轮 图2 1 主轴组件结构图 主轴的振动受制造精度、结构特点、轴承间隙及机床整体装配等很多因素影 响，受条件及水平所限，本文仅就主轴组件本身的结构、制造精度、安装等方面 硕十学位论文 进行探讨。 2 1 1 制造环节因素影响 在主轴组件各零件在制造过程中，因材质、工艺技术等问题影响会有一些缺 陷，这些缺陷可在振动信号中体现出来。 质量不均匀造成的动、静不平衡是主轴零件的主要制造缺陷之一。相对于静 不平衡来说，动不平衡现象更加普遍，也更难预防。主轴生产厂家一般在主轴的 出厂之前都要做其动平衡的检测和调整，以使其符合出厂要求。 另外，因制造原因而造成的主轴弯曲、裂纹等缺陷也会影响主轴组件的性能， 轴承、连接件等在制造时的缺陷也会造成振动，影响其运转性能。 2 1 2 装配环节因素影响 主轴组件中各零件在组装时，因配合、安装调整等原因也会对其性能造成影 响。如轴承安装不良会造成轴中心线偏离其回转中心，同步带轮安装不良会使主 轴的动力输入偏离回转中心，这两者都会造成回转精度较差，也就是俗称的“不 对中”故障。安装时零件间隙过大会造成零件松动，间隙过小又会增加主轴运动 的阻力、加剧其摩擦、造成发热等。 2 1 3 温度及其它因素的影响 主轴运转时，因轴承等零件的摩擦时会产生一定的热量，使得其温度升高， 主轴及其它组件的性能也会发生相应的变化。如：随着温度的升高，金属轴转子 的轴向和径向尺寸都有所增加，造成零件问配合性质发生变化，并产生摩擦热弯 曲等现象；温升也会使刚度有所变化，造成振动模态改变。 此外，在主轴的转速达到一定的限值( 阈速) 时，轴会发生自激振动，即失 稳现象。这种现象与轴承、系统的固有频率、摩擦等都有关系。 2 2 旋转机械故障诊断简述 主轴组件工作时，主轴做高速回转运动，在机械设备故障诊断学中，它属旋 转类部件。旋转机械是指主要功能由旋转运动来完成的机械，尤其是指主要部件 作旋转运动的、转速较高的机械。旋转机械种类繁多，有汽轮机、燃气轮机、离 心式压缩机、发电机、水泵、水轮机、通风机以及电动机等。这类设备的主要部 件有转子、轴承系统、定子和机组壳体、联轴器等组成，转速从每分钟几十到几 万、几十万转。 故障是指机器的功能失效，即其动态性能劣化，不符合技术要求。例如，机 机床 轴组f ， ：振动榆测j 评估技术研究 器运行失稳，产生异常振动和噪声，工作转速、输出功率发生变化，以及介质的 温度、压力、流量异常等。机器发生故障的原因不同，所反映出的信息也不一样， 根据这些特有的信息，可以对故障进行诊断。但是，机器发生故障的原因往往不 是单一的因素，一般都是多种因素共同作用的结果，所以对设备进行故障诊断时， 必须进行全面的综合分析研究。 从仿生学的角度来看，诊断设备的故障类似于确定人的病因：医生需要向患 者询问病情、病史以及量体温、验血相、测心电图等，根据获得的多种数据，进 行综合分析才能得出诊断结果，提出治疗方案。同样，对旋转机械的故障诊断， 也应在获取机器的稳态数据、瞬态数据以及过程参数和运行状态等信息的基础上， 通过信号分析和数据处理提取机器特有的故障征兆及故障敏感参数等，经过综合 分析判断，才能确定故障原因，做出符合实际的诊断结论，提出治理措施。 由于旋转机械的结构及零部件设计加工、安装调试、维护检修等方面的原因 和运行操作方面的失误，使得机器在运行过程中会引起振动，其振动类型可分为 径向振动、轴向振动和扭转振动三类，其中过大的径向振动往往是造成机器损坏 的主要原因，也是状态监测的主要参数和进行故障诊断的主要依据1 2 8 1 。 旋转机械常见的缺陷有：轴( 转子) 不平衡、轴( 转子) 回转精度不良( 不对 中) ，轴承的油膜振荡，转轴的初始弯曲、热弯曲、摩擦热弯曲，半速涡动，共振， 部件松动，转轴结构缺陷等。这些故障在机械运转中将产生各种振动信号，而某 一振动信号可以反映各种故障，从而为旋转机械的振动检测与故障诊断提供了依 据。 2 3 设备故障振动分析法 在设备故障诊断中，采用最多的技术是振动分析法。在很多机械设备诊断的 技术出版物中，振动分析法差不多就成为设备诊断技术的代名词。振动分析在故 障诊断中之所以如此受到重视，是因为：第一，在设备管理上，振动是设备的一 项主要性能指标，振动强弱直接和故障相关；第二，在诊断技术上诊断检测相对 易于实现，振动信息量大，易于得到故障诊断结论；第三，振动信号作为一种动 态数据，对其进行信号处理得到的结果具有普遍适用的意义，其它许多与振动不 同的物理现象都可以按同样的方式加以描述和阐述【2 9 1 。 2 3 1 振动形式的描述 为了说明振动的特点，采用了多种描述方式： 2 3 1 1 时域描述 有两种表达方式，即振动波形和轴心运动轨迹。时域描述可直观的了解振动 颁士学位论文 随时间地变化情况，以及转轴在轴承中的径向运动情况，粗略地估量振动平稳与 否及对称程度。 2 3 1 2 频域描述 将振动幅值、楣馕、能量情况按频率排列，有利予分析故障原因。 2 3 1 3 幅域描述 现场主要采用峰值、峰一峰值、有效值等概念来反映振动幅值的大小，其中 又有位移、速度、加速度等不同振动量之分。位移峰一峰值主要用来考核设备间 隙的安全性；速度有效值用以反映振动能量的大小或破坏能力，是判断振动状态 的主要指标；加速度峰值则和冲击相关联。还可以将它们进行组合后综合分析。 2 3 1 4 振型 即按轴向位置将同一方位的同频振幅相连获得的振型曲线，用以估算转子与 固定部件之间的内部间隙并估算转轴的“节点 位置。 2 3 1 5 瀑布圈 将频谱按采集时间的顺序排列丽成( 如按转速、温度、时间变化过程排列则 强q 级联图) ，用以观测不同转速、温度以及随时问变化的振动成分的变化情况。 2 3 1 6 极坐标图( 奈奎斯特图) 及波德图 振幅相位随转速变化过程以极坐标表示即极坐标图，以直角坐标表示即波德 图。其作用和瀑布图类似，主要用以确认共振频率。 2 3 1 7 全息谱图 即将在空间相距9 0 。的两个同频率振动合成的轨迹按频率顺序排列得到的 图形，用以全面了解设备振动情况，对故障诊断起到很好的作用。 2 。3 2 振动的分类 振动故障诊断，在某种意义上说就是振动模式的识别。因此，对振动进行恰 当的分类，怒进行故障诊断很重要的一个步骤。振动可以从不同的应用角度进行 分类，每种分类法只能从某个侧面突出振动的特征。因此，在实际工作中常常需 要揪据诊断的要求应用不同的分类方法。 2 3 2 1 按振动频率高低进行分类 设备的故障常集中在几个频段之内，根据故障频率的高低，可以粗略的估计 故障的部位。如表2 1 。 机眯卜轴组件搬动检测j 评估技术研究 表2 1 按频率大小豹振动分类 振动类别频率范围故障实例 低频振动l ：频5 倍以下 转子故障如不平衡、不对中、轴弯曲、松动、油膜振荡 中频振动 l k 珏z 左右 齿轮振动 高频振动 l k h z 滚动轴承损伤 2 3 2 2 根据信号特点分类 这是故障诊断技术中应用最多的一种分类方法。根据振动信号的数学特征， 振动可分为确定性振动和随机振动两大类。前者可以用确定的函数进行精确描述， 后者是随机的，每次测定的结果都不会一样，它的特征只能焉概率统计的方法来 进行描述。这两类振动还可做更细的分类，归纳如下： 一篱谐振动 j 厂周期振动弋 |l 复杂周籁振动 机械振动 2 。3 2 3 按动力学分类 从动力学角度，机械振动还可以分为自国振动、受迫振动、自激振动、参变 振动等四种类型。 2 3 2 4 根据振动系统的特性分类 硕上学位论文 按振动系统的特点，振动还可以分为线性振动和非线性振动两大类。 2 3 3 几种振动和冲击信号的特点 振动可用公式、波形、频谱等方式描述，不同振动信号有不同的特点。 2 3 3 1 简谐振动 振动的历程按正弦或余弦函数变化的振动称简谐振动。它可用下式表示： 工o ) = 彳s i n ( 2 7 咿+ 缈) ( 2 1 ) 简谐振动只需通过振幅、频率和初相角三个参数就可以准确的加以描述，这 即所谓的振动三要素。其中，振幅是振动历程的最大值，又称为峰值；频率表示 每秒钟振动的次数，频率的倒数表示每振动一周所需要的时间，称为周期( t ) 。 简谐振动是最简单的振动。它的波形最简单，频率单一，可在频谱图上利用 一根谱线来表示。 2 3 3 2 周期振动 经过一定时间间隔( t ) 后能完全重复的振动叫周期振动，它可以用周期性的 时变函数来表示： x ( r ) = z o 刀t ) ，l = 1 ，2 ，3 ( 2 2 ) 式中t 即完成一个波形循环所需要的时间，即振动周期，其倒数为周期振动 的基频万。 周期振动的特点是： ( 1 ) 可用傅立叶级数分解为静态分量和谐波之和，即： 石( f ) = x o ，l f ) = k + 以c o s ( 2 碱一纯) n _ 1 ，2 ，3 ，n ( 2 3 ) h = l 所谓谐波是频率和基频成整数倍的简谐波。因此，周期振动的频谱是一系列 线谱离散谱； ( 2 ) 若干谐波可迭加成一周期振动，其振动频率等于各谐波频率的最大公约 数。周期振动的频率也就是摹波的频率，不过有时可能没有基波分量： ( 3 ) 周期振动的大小不能象简谐振动那样只考虑峰值，而需考虑振动时间历 程的影响，采用平均绝对值、仃效值等来表示； ( 4 ) 周期振动的波形是， h ：弦的。究其根源，一是扰动力本身不是j 下弦的， 如设计不良的电动机电磁力，? 足扰动力虽为正弦，但振动系统非线性造成响应 非正弦畸变，如转子不平衡，实测波形或多或少混含有一些谐波成分【3 0 1 。 ! j l 味j ：轴纰f 1 振动f ：7 测j 仆估 上术研， 2 3 3 3 准周期振动 由若干个振动频率不成比例的简谐振动迭加成的振动是准周期振动。可用下 式表示： x ( f ) = x ，s i n ( 2 万+ 依) ( 2 4 ) ”= l 式中甩= f ，觞是无理数。 准周期振动的特点： ( 1 ) 频谱由若二f 离散谱线组成，与周期振动类似，但谱线之问的分布没有一 定的比例，不具备谐波关系，故只是准周期的。 ( 2 ) 波形没有周期性，因各谐波频率无最大公约数，或者说其各简谐波周期 无最小公倍数，即没有公共的基本周期( 或者说周期无限长) 。 2 3 3 4 瞬态振动 瞬态振动是一种短暂的振动，如开停车过程、振系受激之后产生的衰减自由 振动等都是瞬念振动。 瞬念振动具有确定性特征，可用某种时变函数来描述，如衰减自由振动，可 用下式来表示： 础) ：j 能1 ，c o s 吣 晓o ( 2 5 ) 一 lo f o 瞬态振动的特点是： ( 1 ) 波形有一定的往复周期，但振幅随时间按指数规律衰减，每周波形不能 重复，故不是周期振动； ( 2 ) 频谱是有一定带宽的连续谱，在与瞬态振动频率大致对应的频率处，谱 值达到最大值，即连续谱有一波峰。峰的位置由结构刚度、质量决定，而宽度由 阻尼大小决定。这种谱型与周期振动的离散谱极易区分。这是由于瞬态振动不是 周期振动，不能用傅立叶级数展丌，只能通过傅立叶积分变换获得频谱表示。如 将瞬态振动看成周期无限长的振动，级数求和就变成了积分形式，而连续函数的 积分，其结果也足连续函数，所以频谱是连续谱； ( 3 ) 这种连续共振峰值越宽则瞬念振动过程越短，当宽度扩展为整个频带时， 振动便变成冲击现象了；而当谱峰收缩成线谱时，表明瞬念过程已由短暂的瞬态 延长成周期简谐振动了。 2 3 3 5 冲击 当动能传递到系统的时间短于系统固有周期时振动就成了冲击振动。 冲击的特点是： ( 1 ) 对单个冲击而言，从零到无限大的原频率范围内都有能量分布，频谱是 硕士学位论文 连续的，没有离散分量。而周期性冲击便成了周期性振动，连续谱也将呈离散状 线谱，但谱的包络线形状仍同单个冲击的连续谱形状一样； ( 2 ) 单个冲击形成的频谱是周期衰减的，衰减周期于脉宽呈反比，脉冲越尖 衰减越慢。在极低频率处( 零频附件) 谱的分量的大小等于冲击脉冲的面积，于 脉冲形状无关，据此刻判断冲击对系统的影响； ( 3 ) 双脉冲谱成贝壳状，第一个下降谷位于t 2 处。 2 3 3 6 随机振动 ( 1 ) 质点运动周期没有规律，而且过程不会精确再现的振动叫随机振动。这 种振动不能用精确数学式描述，但可以用概率统计方法分析其内在规律； ( 2 ) 对设备故障而言，随机振动应该看成是一种偶然因素造成的干扰或噪声， 不是机组故障的主要形式。但随机信号是一种普遍现象，具有重要的意义； ( 3 ) 在诸多的随机振动中，其中一类其统计结果与时间无关，在信号处理技 术中称为平稳随机信号；内中又有一类可用单次测试的数据特征代表其总体特征， 称为各态历经的随机信号。 实际测量到的信号不会是单一的信号，而是多种信号的综合，许多情况下只 有一两种主要信号，由谱图可明显的找到它们的特征，必要时可以用滤波方法消 除次要成分，再用波形、频谱特点将故障信号识别出来。 2 4 几种故障的理论模型及其振动表现 主轴属于做高速回转运动的零件。在其制造、装配过程中都会产生一些缺陷， 这些缺陷很多都会在其振动信号中表现出来：不仅如此，主轴组件在运转过程中 其温度、刚度等状态也会发生一定的变化，很多变化对主轴的正常运转产生不利 影响【3 l 】；通过对振动信号的监测也可以将这些变化及时诊断出来，给使用人员以 警告，给设计人员以参考。 2 4 1 不平衡振动特征 轴弯曲和质量偏心是不平衡的两个来源，主轴旋转时，它们均会产生与转速 同步的周期激振力，使其产生同步涡动。 2 4 1 1 振动方程 其简化模型如图2 2 所示，圆盘质量为聊，其质心m 偏离几何中心o l ，的距 离为p ，轴的刚度为足，轴的质量忽略不计，阻尼系数为c ，圆盘处的轴初始弯曲 量为珞。 由动力学知其运动微分方程为： 砌+ 毋+ 帆= 0 ( 2 6 ) 式中，p 为圆盘质心位移；厂为总的位移幅值；内为动力响应幅值。 由几何关系有： p 2r+s 名= ，一 ( ? 7 ) 令畦= k ? m 2 9 国k ：cfm 将式( 2 7 ) 代入式( 2 6 ) ，并整理可 得： 芦+ 2 锄产+ ，= 霹一善( 2 8 ) 。 令考虑某一转速得稳态解，求解得： 总振幅 相位 ( 2 9 ) o 图2 2 初弯曲单盘转子模型示意图 炉 a r c t 锄嚣糍 旺 c o s 织+ 五占c o s 够。 、。1 u 7 动力响应振幅 名： 动力相位 伤2 妒+ 甜t a l l ( 6 口) ( 2 1 1 ) ( 2 1 2 ) 式中 嚣兰篡。以2 、 晓 口2 彳2c o s 织+ 觑2c o s 一2 弘气s i n 织 6 2 气彳2s i n 织+ 朗2 s i n 一2 弘c 。s 织 2 4 1 2 轴弯曲的振动响应 撕的耋嘉蛩存在初始弯曲量吩或占= o 时，由式( 2 9 ) 式( 2 1 3 ) 可得弯曲 轴的参数为： 一“v 阿弓叫 总振幅 ，= ( 1 一彳2 ) 2 + 4 2 兄2 r - - - 一 1 4 ( 2 1 4 ) 硕_ l 学位论义 相位 体= 织+ 缈 动力响应振幅 屹= 动力相位 = 纯+ 缈+ a r c t a n ( 2 f a ) ( 2 1 5 ) ( 2 1 6 ) ( 2 1 7 ) 由式( 2 1 4 ) 式( 2 1 7 ) 可求得弯曲主轴在各种阻尼下总响应及动力响应的 幅频、相频曲线。 2 4 1 3 振动特征 由幅频、相频曲线可以看出，弯曲转子与质量偏心转子的振动特征是基本相 似的，但也存在差别，有以下几点： ( 1 ) 两者动力响应幅频特性相似，即在频率比 很小时，轴的动力变形都趋 于零，而a 远大于1 时，轴的动力变形分别趋于一定值或 。由于轴的动力变形 可表征转子支承处所受动反力的大小，而对实际弹性支承的转子，其支承处的轴 承振动幅值与动反力大小成比例，所以在轴承上来监测转子的振动时，两者幅频 特性相似； ( 2 ) 初始弯曲转子的总振动幅频特性与质量偏心转子不同，即，在a 很小时， 并不趋于零，而趋于轴初始弯曲量。当 远大于1 时，r 反有减小至零的趋势。也 就是说初始弯曲转子在至较低的转速范围内也有较明显的振动； ( 3 ) 初始弯曲转子的总振动相频特性与质量偏心转子是一致的； ( 4 ) 两者动力响应相频特性有区别，由式( 2 1 4 ) ( 2 1 7 ) 可知，动力响 应与总响应的相位差一鳞2a r c t a l l ( 2 f 们，这个相位差别是随转速而变化的，据 此，可以通过同时监测轴振动和轴承振动，并比较其相位来鉴别转子的初始弯曲 和质量偏心； ( 5 ) 两者在有阻尼的情况下，由幅频特性曲线的峰值测得的临界转速是不同 的，当有质量偏心