１绪论

  

       1.1论文背景与硏究意义

  

       本论文来源于清华大学精密仪器与机械学系与南通科技数控机床技术联合研发中心开展的合作项目。

  

       立式加工中必的特点在于其主轴轴线与工作台垂直设置。立式加工中也因其发展较早，技术比较成熟，同时具有高速、高精度等特点，因而在中小零件及中小模具加工中具有不可替代的优势。

  

       中国的数控机床经历了凡十年的发展，己经取得了长足的进步。中低端数控机床己经基本满足了国内需求，但是在离端领域，我国与欧日美等国家相比，差距显著，装配对产品可靠性的影响非常湿著，国肉机床领域的从业人员和研巧人员将主要精力放在机床结构优化、切削性能改进等方面上，对机床装配工芝的研巧不够重视，对相关领域的研巧也不够深入。由于机床在装配和调试技术方面的短板，国产机床在定位精度、机床的动态特性上与国外还有很大差距，产品的寿命周期也远低于国外，这些都是国产高档机床市场占有率不商的重要原因。

  

       当前数控机床的生产模式属于多品种小批里，数控机床制造企业的装配车间大多采用半自动装配或纯手工装配的方式，基于这种装配方式的特点，下几个方面导致了机床在装配环节可能会存在故暗隐患。

  

       （１）人为因素，装配操作工人的素质参差不齐，会对机床装配故障的造成很大影响，进而对机床的综合性能也会产生影响。

  

       （２）装配零部件本身的特性。装配零部件的几何误差、表面粗檐度Ｗ及材料刚度属性等方面对机床的装配精度亦有影响。

  

       （３）机床装配过程和装配完成后的检测手段。由于机床在装巧过程和装配完成后的测里方式往往采用半自动或手动的测量方式，测量方式并没有执行统一严格的标准，且限于测量工具自身的检测水平，同样会对机床在后续工作巧态下的故睹发生产生影响。

  

       （４）其他因素。此外，机床制造厂家在装配机床过程中，有些外购部件在不能及时到货的情况下，为了不影响装配进度，不得不更改装配顺序，操作工人在装配现场为了自身的方便，也会出现不严格执行装配工艺规程的现象；机床在安装地点的精度指标与出厂预验收的精度保持一致也是难以做到的。

  

       国内机床制造厂家为了提商机床性能，通常关键部件采用国外产品，南通机床生产的ＶＣＬ８５０立式加工中心，主轴、滚珠丝杠副、线性导轨均为外购。尽管这些零部件自身的制造精度满足要求，似装配完成后，机床性能尤其在工况下的定位精度、动态特性上远不及园外的同类产品．美国哈斯公司生产的ＶＦ－３型立式加工中心同ＶＣＬ８５０立式加工中心作对比，两者在机床结构布置方式上大致相近。化起在技术参数指标上者差距明思，ＶＣＬ８５０立式加工中心的定位精度０.０１ｍｍ，重复定位精度０．００５ｍｍ，而ＶＦ－３系列立式加工中心的定位精度０．００５ｍｍ，重复定位精度０．００２５ｍｍ。因此在加工精度上，ＶＣＬ８５０立式加１中屯、还有很大的提升空间。另外在高速状态下，ＶＣＬ８５０立式加工中心的稳定性要弱于ＶＦ－３型立式加工中也。南通科技的机床装配工艺规程长期以来主要依靠工人的现场工作经验巧累，研发设计人员并没有采用实验的手段，需要通过量化数据去支持论证机床装配Ｘ艺流程的合理性。机床部件装配的累积误差会影响到机床的加工精度口由此可化，基于装配工艺角度来对机床进行研巧分析，对于提高机床的动态特性意义很大。图１－１为某数按机床的故障原因统计图。

  

       

  

                    图1.1某数挖机床的故障原因统计图

  

       综上所述，从装配角度对机床主轴箱进行检测，将化床装配故障问题类型化，故障源位置具体化，可为装配工人在机床在装配过程中遇到的故障问题提供指导性意见，方便工人迅速查找故障源；从长远上说，还可以为后续建立的化床智能故障监测系统提供相关的技术储备。

  

       1.2国内外硏究综述

  

       1.2.1 机床主轴箱故隨诊断技术

  

       主轴箱的装配是机床的重要一环，主轴箱各部件的制造精度Ｗ及它们之间的装配故障将直接影响机床的加工性能。一旦机床主轴箱区域的相关部件装配不达标，却未予及时发现，将可能导致某些昂贵部件造成不可修复的损失。从先期的机床组装阶段，针对机床主轴箱各部件的装配进行相关检测及分析，能够在机床出现放障之前及早的发现问题來源，可避免不必要的经济损失。

  

       针对主轴箱的故障诊断，一般经历三个阶段：设备原始数据的巧集及获取、对原始数据进行预处理提取有用成分、对处理数据进行特征识别与类型匹配。为了便于观察主轴箱的故障类型，一般将传感器放置在主轴附近，观察主轴的运转情况。

 

       现有文献针对机械设备在工作过程中出现失效时的故障机理、特征等方面开展了大量的研巧，专口针对机床主轴箱的装配故障开展研巧的相关文献并不多，但是针对不同检测对象的研巧策略是相似的，进行故障诊断的方法手段是相通的。

  

       故障诊断技术的研巧内容主耍包括：故障信号的检测与采集、设备巧态监测方法研究、故障机理的研究、机械故障信息处理技术、故障特征提取与分析化研巧领域的详细划分如图１－２所示。

  

       

  

                        图1.2 旋转机械状态监测及故時诊断技术

  

       针对机床主轴箱故障诊断的研巧，杨树莲Ｗ利用可变回转角度阶比分析的方法对机床主轴故障特征进行提取，收到了良知的效果。冯冬芳Ｐ１通过频谱分析的方法利用主轴轴承的振动信号，对主轴进行故掩诊断，并确定了轴承端盖的预紧力区间。周苏波Ｗ对机床主轴的轴也轨进进行在线测试，发现机床主轴箱存在动不平衡的装配故障。商荣Ｍ利用小波奇异性对主轴箱的振动信号进行处理，消去了外界唤声对切削状态下监测系统的干扰，同时还可Ｗ对机械故障信号进行预测，达到了提高电主轴使用寿命的目的。

  

       1.2.2 故障信息处理技术

  

       故障信息处理技术通常由故障信号的检测、分析处理两部分构成，检测的常见信号类型包括：流量、噪声、电流、温度、振动、压力、电压等，分析处理就是对这些信号进行放大、滤波、去噪、调理、解调变换等，进而提取出对故障特征识别有用的信息。故障信号去噪是对故障特征提取与分析之前的一个必要环节，传统的去噪方法主要包括线性滤波和非线性滤波，其中的典型代表是中值滤波和Ｗｉｅｎｅｒ滤波。传统去噪方法的不足在于信号变换后的炯増高，无法刻画信号的非平稳特性并見无法得到信号的相关性。在信号去噪方法研究的早期过程中，由于受到理论方法的限制，从振动信号中去除外部噪声干扰主要采用传统去噪方法，取得了一些研究成果。１９８１年王祖荣提出了一种将系统进一步简化为满足文泰滤波条件定常系统的简化非线性滤波方法。１９８７年陈关荣ｎｓ］研究了非线性动态及观测系统滤波问题的一种样条函数递推算法。随着科技的发展，许多先进的去噪技术例如小波变换、ＨＨＴ变换、ＥＭＤ分解等先后出现。在机械故障诊断领域获得了实际应用，取得了很好的科研成果。１９９８年傅瑜对小波理论在若干旋转机械设备故障诊断中的实际应用问题开展了研巧。２００４年胡峰等15位学者利用小波降噪的方法提取故障信号，并用ＡＲ模型进行谱估计，确定齿轮的故障类型及严重程度。２００８年刘树春等Ｗ研究了基于二代小波的振动信号去噪相关技术。２０１３年孟宗等提出了一种解决ＨＨＴ分析中模态裂解现象的方法，即基于快速独立分量分析消噪的ＨＨＴ分析方法，仿真与实例结果表明，该方法能有效抑制ＨＨＴ过程中的模态裂解现象，有效提取信号的特征频率，进而实现旋转机械故障诊断。

  

       1.2.3 故摩特征提取与分析技术

  

       故障特征提取局分析技术是当前故睹诊断的瓶颈，直接影响到故障早期预报的可靠性与机械故障诊断的准确性。故障诊断信息处理技术研巧的主要内容包括时间序列分析、统计分析、传递函数分析、相关分析、频谱分析、相干分析、细化谱分析、包络分析、模态分析和倒谱分析等，其理论基础是数理统计和随机过程。

  

       传统的故睹特征提取与分析技术主要基于傅立叶分析，傅里叶变换与反变换建立了信号在时间域与频率域之间相互转化的桥梁，提供了信号的时域分析和频域分析两种方法。因此，传统的故障特征提取方法主要分为时域分析方法和频域分析方法两大类ＰＷＩ１，１９８３年埃什尔曼等脚利用波动分析仪对电动机同步和非同步过程进行了时域方面的分析。陈瑞琪等人于１９８５年利用声强分析仪及频率分析仪系统对纺机锭子和气流纺纱高速轴承组件的振动、噪声进行频谱分析，以了解两者的主频率及相互关系。１９９２年艾延廷等对齿轮故障检测中时域分析技术的实现过程，齿轮故障的特征波形及特征参数进行了讨论，并引证了应用时域分析技术检测齿轮故障的实例。

    

       在Ｗ振动信号为化态变量进行故障诊断时，由于设备运转的不平稳、外在负荷的交替变化、不确定性的冲击等因素导致振动信号并非始终是平稳的，从而使基于平稳过程和线性系统的传统信号处理理论的应用受到限制Ｐ５１。传统的傅立叶变换从频域角度分析振动信号的特征信息，仅适用于对平稳信号的分析，在处理非平稳信号时会出现很大误差，甚至与实际情况大相径庭。随着现代信号处理技术的发展和逐渐成熟，人们开始研究新的信号处理方法提取故障特征信息ＩＷ。其中具有代表性的方法如小波分析（简称ＷＡ）、独立分量分析（简称ＩＣＡ）、主分量分析（简称ＰＣＡ）、经验模态分解（简称ＥＭＤ）、隐Ｍａｒｋｏｖ模型（简称ＨＨＭ）等。林京等学者建立了基于连续小波变换的奇异性检测方法，并将这种方法应用在压缩巧气阀的故障诊断中，充分显示了该方法的有效性。张生对某巧轮箱进行故障诊断，模态分析中的固有频率和振型作为识别故暗的重要参数特征，胡劲松利用经验模态分解的方法应用到旋转机械信号处理与故隋诊断，为非线性和非稳态的故障分析与诊断给出了一条新的途径。下启全等学者口Ｗ提出了基于因子隐Ｍａｒｋｏｖ模型的旋转机械故障诊断方法，而且利用这种方法对旋转机械的故障实现了进行了有效的分类。

  

       1.2.4 故膊源位置识别技术

  

       机床存在机械故障时，必定会衍生出额外的激励、噪声。工程技术人员通过信号检测技术对故障源进行位置判定，进而针对性的机械结构进行调整，解决机械故障问题。从这个角度上说，故陣源识别技术的应用前景广泛。故障源识别技术最初主要应用在汽车领域，随着科学技术的不断发展，逐渐应用到船舶、机床、飞机、铁道等领域。从６０年代开始，随着计算机的迅速发展，有限元网格划分的精细程度和计算精度逐步提高，出现了与Ｍ动嗓声紧密相关的计算分析理论巧软件。目前较为主流的有限元分析巧件代表有；ＡＮＳＹＳ、ＡＢＡＱＵＳ、ＭＳＣ－振动测试类的产品有机公司的数据采集卡系列，其中比利时的ＬＭＳ公司的測试系统是ＮＶＨ领域的行业领导者，应怀樵教授创建的北京东方振动和噪声技术研巧所在国内也有一定的声誉。

  

       国内外对故陣源识别的方法有分步运巧消去法，频谱分析法，即相干函数法，层次分析法，传递路径分析法（ＴＰＡ），统计能量法等，主成分分析法，独立分量分祈法等等。在此仅介绍前三种方法。

  

       1. 分步运转法

  

       分步运转消去法即对一个复杂的机械系统进行故障源识别时，首先在同一部位，不同时间下，对系统的总体振动噪声响应进行测试，然后逐步关闭系统的各个故障源，与此同时测试关闭故障源后的振动噪声响应，根据叠加原理，确定各个故障源对系统总体的贡献大小。这种方法简单，便于直观发现问题。但实际工作中复杂的机械系统，各个故障源往往锅合在一起，难Ｗ单独开启关闭某一故障源，因此针对复杂的机械系统，分布运转消除法无法解决实际问题。

  

       2. 频谱分析法

  

       额谱分析法即在频域对故障源进行识别，一般不同的振动噪声故障源具有不同的频率特性。可通过频谱分析，依据幅值大小主观判定故障源的贡献大小。但由于机械结构自身的动态特性，幅值最大的区域并非总是故障源区域，这种依据是不成立的。

  

       3. 相干分析法

  

       相干分析法作为－－种比较成熟的技术广泛应用到了振动噪声领域，P.R Roth于１９７１年在有背景噪声的情况下，利用常相干分析方法正确识别了噪声源。M.Caliskan利用相干分析用于纺织机的瞬时噪声源识别，与传统方法得到的结果相同，证明了相干分析可同样适用于故障源识别，与国内对相干分析的研巧始于上个世纪８０年代，吴浩珪等人于１９９５年利用相干分析法确定了某柴油客车的主要噪声源，并进行了后续的降噪处理。张衰维等人利用自功率谱分析与相干分析技术，对某台内燃叉车的液力变速箱进行测试分析，找到了该变速箱产生噪声的主要来源。

  

       4. 传递路径分析法

  

       传递路径分析（ＴＰＡ）是指通过试验来跟踪由源经过一系列己知结构或空气传播路径传递到指定接收点能量流的分析方法。其目的在于评价由振动源到响应点每个路径能量的矢里贡献，从而确定为了解决特定的问题，路径上哪些部件需要修改，或者通过结构优化设计使部件得到理想的特性。于上个世纪９０年代开始发展起来，如今在机械故障诊断、部件性能改进、振动噪声源识别等方面得到了很好的应用，己经被国外汽车ＮＶＨ领域广泛认同并且己经商用化，国内也开始兴起。比利时的ＬＭＳ公司的ＬＭＳＴｅｓｔｌａｂＴｒａｎｓｆｅｒＰａｔｈＡｎａｌｙｓｉｓ软件在汽车领域得到了广泛好评与普遍应用，ＬＭＳ公司在空气声定量识别、多参考点传递路径分析、王况传递经分析等方面积累了大量成功案例。Ｋ．Ｇｅｎｕｉｔ等人利用双通道传递路径分析模型对车内进行声学诊断；福特公司的ＰｅｒｒｙＧｕ等人对巧态振动状态下的车内振动巧声进行了定量分析，Ｇｒｙａｎａｒｏｒａ等人利用传递路径分析法对路面噪声对车内贡献的影响进行了分析等等。目前国内开展传递路径分析研巧的单位主要Ｌ：高校和科研院所为主，吉林大学、同济大学、上海交通大学Ｗ及长安汽研院在这方面做出了不错的成绩，并且应用到了很多领域。吉林大学的起形航ｔ＂］利用传递路径分析法较完整地分析了车内振动噪声的传递路径，建立了车内振动噪声传递模型，并对主要的传递路径进行分析，取得了很好的预期效果。同济大学的郭荣等对燃料电池轿车车內噪声的传递路径进行了分析研究，在怠速工况下对车内噪声进行传递路径测试试验，识别得出了主要传递路径。长安汽车工程研巧院李传兵等人用传递路径分析的相关软件，针对某新车型的车内噪声问题进行了传递路径分析，找到了对车内噪声影响最大的传递路径，针对性地对部分部件进行结构优化，有效地消除了运行状态下的车内噪声问题。总体上说国内的高校和研究机构对传递路径分析方法的研究应用还处于摸索前进阶段。

  

       1.3  论文主要硏究内容

  

       机床部件装配的累积误差４影响到机床的加工精度本论文针对某立式加工中屯、的主轴箱在装配出厂阶段进行质量检测及分析，将机械故障诊断的理论和方法应用于工厂实际生产中，这种探索与尝试，对现场工人进行机床质量检验和机床装配工艺规程的不断改进具有指导意义。另外，本论文所开展的工作也为后续针对机床的自动监测与诊断系统的开发积累了资料素材。本论文的主要研巧內容如下；

  

       （1）在研巧ＶＣＬ８５０立式加工中也主轴箱的部件组成、装配特点的基础上，结合ＶＣＬ８５０立式加工中也的装配王艺规程等相关资料，分析主轴箱在安装过程中可能存在装配故障的区域，并对其故障机理进行了探讨分析。

  

       （2）结合测试方案和要求，选用合适的传感器、数据采集卡，利用LabVIEW软件进行编程，构建针对主轴箱区域的測试系统。实现基于相关分析的滤波降噪功能、相位测量功能，频域分析功能，基于ＳＶＤ法、不变矩法的轴也轨迹识别功能。

  

       （3）利用转子实验台，对动不平衡、角亭不对中、松动等Ｈ种不同类型的装配故障进行模巧实验，并结合相关文献，初步确定三种不同类型装配故巧的信号特征表现形式。

  

       （4）结合模态动能法与有效独立法，针对主轴箱在工作激励下如何实现传感器的优化布置开展研巧，为机械故席诊断前期如何优化布置传感器提供了一种新的思路。

  

       （5）对空转状态下的主轴箱区域振动信号进行采集，对振动信号进行降巧处理，分析装配主轴箱故障原因；对主轴运行状态下的轴屯、轨迹进行检测，并基于ＳＶＤ法、不变矩法对主轴的轴屯、轨迹进行识别方法分析，轴也轨迹作为判定不同主要的装配故障类型的信号指标，实现对不同主要的装配故障类型的分类识别。

  

       （6）基于传迸路径分析的原理，对不同装配故障产生的异常故障源位置进行判定：首先介绍故障源识别采用的主要方法，然后利用ＡＮＳＹＳＷｏｒｋｂｅｎｃｈ仿真软件实现对主轴箱故障源位置的识别，最终开展实验论证这种故障源位置识别方法的可行性。

  

       ２ ＶＣＬ８５０主轴箱主要的装配故障机理分析

  

       本次实验的实验对象ＶＣＬ８５０立式加工中如（如图２－１所示）是南通机床自主开发的一款高档通用的自动化机床，配装了刀库容量为２４把刀的机械手刀库，可完成较、統、钻、错、攻丝等多种工序的切削加工。

  

       

  

                           图2.1 ＶＣＬ８５０立式加工中心

  

       本论文的研巧重点为ＶＣＬ８５０立式加工中屯、的主轴箱区域。ＶＣＬ８５０立式加工中也主轴箱区域的装配图如图２－２所示。主要包括主轴箱、主轴电机，同步齿形带，主轴、等相关配合部件。

  

       

  

                                     图2.2 主轴箱装配图

  

       在机床出广阶段，由于装配不当会导致机床在后续工作中出现不同类型的机械故陣，在工作状态下，化床所表现出不同形式的信号特征可指导检测人员判定故障原因。不同振动类型及表现形式如图２－３所示，简单描述了不同振动类型所表现的信号特征：

  

       

  

                                 图2.3 不同振动类型及表现形式

  

       自激振动是由机床自身结构决定的，在机床出厂阶段，受迫振动则是由装配不当造成的。因此需要对ＶＣＬ８５０进行模态分析，排除自激振动的干扰。ＶＣＬ８５０的转速区间在４８？１２０００巧ｍ，对应频率为２００Ｈｚ，首先对ＶＣＬ８５０的主轴箱进行模态分析仿真，排除机床工作频率是否在自激振动的区间。取六阶模态，通过ＡＮＳＹＳＷｏｒｋｂｅｎ化得到仿真结果，其前六阶固有频率和对应的模态振型如表2.1所示。

  

                                      表2.1 模态仿真分析结果

  

       

        

  

       可以看到主轴箱区间的一阶固有频率在２６３．１６Ｈｚ，证明ＶＣＬ８５０在工作转速范围内产生的故障不是由自激振动造成的。

  

       下面主要介绍ＶＣＬ８５０立式加工中心主轴箱区域在工作转速下的常见的几种装配故障类型：

  

       2.1 动不平衡故障

       动不平衡是大型旋转机械最为常见的故障类型之一。对机床主轴箱进行装配时，主轴系统的组件之间的安装不当，导致产生配合间隙。安装刀具时，刀具系统（刀具一刀柄）与主轴锥孔的配合不良，都会在运转过程中产生动不平衡。主轴安装之前，对主轴自身进行动平衡试验是十分重要的一环，主轴箱整体装配完成之后，能够实现对动不平衡的在线测试，可１＾更为彻底的检测动不平衡问题。主轴与刀具系统的安装如图２－３所示。

  

       

  

                            图2.4 主轴与刀具的配合

       如图2.5为转子动不平衡示意图，动不平衡主要表现在一个旋转体的质量中心、０与转动中也０’不重合，导致转子在运转过程中（角速度为Ｗ）形成了周期性的离心力Ｆ或者离心力矩的干扰，作用在机组及其相关部件，加剧旋转机械的振动，同时产生噪声，在一定程度上加速了轴承等部件的磨损，缩短了机组的使用寿命。离也力Ｆ的大小与偏屯、距ｅＷ及旋转角速度似有关，即：

                                                                                                         (2.1)

  

       就机床主轴箱区域来说，相关安装部件自身的制造公差、部件安装不当、长时间运行后导致主轴系统产生很大温升、长期使用导致部件磨损、等都是造成主轴动不平衡的主要原因。

  

       

  

                          图2.5 转子动不平衡示意图

  

       如图所示，O为转子的转动中心，O’为转子的质量中心，ｅ为偏心距，ｗ为转子角速度，θ为偏心夹角。若考虑阻尼的影响，则转子运动微分方程为：

  

                                                       (2.2)

  

       在x,y方向则有：                         (2.3)

       令         经过解析，在x,y方向的振幅Ax,Ay为：

                                           (2.4)

  

       动不平衡下的转子在运转过程中在x,y方向的振幅并不一定相等。

  

       2.2 不对中故障

  

       针对主轴箱而言，电机通过同步内齿带与主轴连接，张紧力施加的不合理，极有可能造成主轴、电机偏角不对中的情况发生。

  

       转子不对中的实际含义是指轴系连接同心度和平直度的偏差故障。造成转子不对中问题的原因主要有转子相关部件的制造误差、安装误差或者长时间使用造成的热变形等因素。转子不对中可分为偏角不对中、平行不对中和偏角平行不对中三种，可看到电机通过同步内齿带轮连接主轴。主轴与电机的配合简图如图2.6所示。

  

       

  

                                图2.6 主轴与电机配合简图

  

       当主轴中心与主轴电机中心线产生一定的偏角时（设偏角为ａ），则电机不能够以为1:1的转速比传递给主轴，主轴电机转速为ω1，主轴转速ω2。

  

       当电机转动角度为Ａ，设主轴转动的角度为Ａ，将主轴的转角向垂直于电机中心线的平面上投影，则：

  

                                                    (2.5)

  

       （2.2）公式两边对时间求导得：          (2.6)

  

       而传动比为：           (2.7)

  

       式中  由于ａ、ｍ、ｎ是常数，ｉ是主轴与电机的传动比。

  

       因此产生了２倍频的激振力。主轴的变化范围为：

    

       

  

       可以看到当电机转动一周时，主轴的角速度变化了两个周期，如图2.7所示，ω1、ω2—周期内的变化。如图2.6，主轴实质上由于角度不对中产生的偏心质量，设为ｍ，主轴转速为Ｗ，，则在某位置的偏也距为ｒ时，激振力径向的表达式为：

  

       

  

                       图2.7 电机、主轴角速度一周期内的变化

  

       2.3 碰摩故障

  

       ＶＣＬ８５０立式加工中心的主轴箱剖面图如图２－６所示。主轴与电机通过同步内齿带轮连接，装配工人依靠经验将调整螺钉实现对带轮的张紧，由于调整不当，带轮张紧力过大，会影响到间隙配合的位置，产生碰摩的装配故障。

  

       

        

  

                          图 2.8 VCL850主轴箱剖面图

  

       定子转子碰摩是旋转机械的常见故障，由于安装不当影响了定子转子的间隙误差，导致转子和定子间的摩擦事故经常发生，同时由于工况变动或过大的轴向推力，都有可能导致碰摩ＩＷ。图２－８为碰摩力学模型图。

  

       

  

       

  

       碰摩是转子在转动一周后与定子部件上的某区域发生接触碰撞导致弹性变形及摩擦热效应的情况。Ｋ，为定子与转子之间的等效刚度，将Fl和Fr分解到径向的碰撞力Fx和切向的摩擦Fy，则有：

                               (2.10),

式中              R为圆盘的位移，R0为转子的间厳，当R≥R0时，有碰摩故障发生。

  

       力碰摩产生的接触力足Ｗ改变转子轨迹的运动方向，这时动定子的接触点不一定是固定的，其振动响应值应为各接触点法向力的平均值之和。

  

       2.4 松动故障

  

       如图2.9所示，两处分别为电机主轴箱结合部与主轴与主轴箱结合部。

  

       

  

                                   图2.9主轴箱结合部

  

       主轴箱区域分布着大量螺拴，部件安装通过螺栓连接起到定位、紧固的作用。

  

       由于安装质量不髙及长期的振动都会引起结合部位的松动故障，影响到主轴及电机的正常运行及安全。

  

       如图2.10为主轴与电机栓接处力学模型，Ms表示主轴，Mm表示电机，Ｃ表示传送带，刚度阻尼模型等效为其紧固、定位作用的螺栓连接处。

  

       

  

       转子运行时的微分方程为：

                                                           (2.11)

  

       式中：Ｍ为包括主轴与电机等部件的质量矩阵；Ｃ为包括主轴与电机栓接处的阻尼矩阵；K为整体的刚度矩阵；Ｆ为合外力向量；X为位移向量。

  

       Ks1,Km1分别为螺栓未松动时电机主轴连接处的等效刚度，Cs1,Cs2分别为螺栓未松动时电机主轴连接处的等效阻尼；Ks2,Km2分别为螺栓松动后电机主轴连接处的等效刚度，Cs2,Cm2分别为螺栓松动后电机主轴连接处的等效阻尼。设δ1,δ2分别表示电机、主轴栓接处未发生松动的临界间隙值。则有：，  同理Cs,Cm的取值。

  

       由于系统刚度、阻尼的不稳定，工作状态下的机械结构呈现严重的非线性问题，发生松动部位的振动信号特征复杂多变。

  

       2.5 本章小结

  

       本章首先对ＶＣＬ８５０立式加工中心的结构特点进行了简要介绍，并证明了故障原因不是由于自身的结构特点造成的。重点分析了ＶＣＬ８５０主轴箱可能存在装配故障的区域，对几种主要装配故障（动不平衡故障、不对中故障、松动故障、碰摩故障）的内在机理进行了详细阐述；为接下来对ＶＣＬ８５０主轴箱区域的故障信号检测提供理论支撑。