重型機(jī)床齒輪箱故障診斷技術(shù)研究

田偉　石雙志

摘 要：大型和重型零件在船舶、宇航、鋼鐵、發(fā)電等國防和支柱行業(yè)廣泛應(yīng)用，這些重型零件由于其工作性質(zhì)的需求，長度可達(dá)到十余米，重量達(dá)數(shù)十噸。這些特殊零件的加工需要與之相應(yīng)量級的重型機(jī)床來完成。因此，重型機(jī)床在軍工、冶金、能源等領(lǐng)域具有舉足輕重的地位。

關(guān)鍵詞：重型機(jī)床；齒輪箱；故障診斷

一、重型機(jī)床故障診斷的意義

重型機(jī)床的這種工作特點(diǎn)使得機(jī)床的安全性、穩(wěn)定性、可靠性變得尤為重要，因?yàn)樵诠ぷ鳁l件下工作載荷以及工件的慣性巨大，一旦出現(xiàn)故障造成機(jī)器突然停車，巨大的載荷沖擊會對整臺設(shè)備造成難以控制的損害，尤其是對機(jī)床中執(zhí)行動力傳輸?shù)幕剞D(zhuǎn)部件造成破壞。此外，由于大型設(shè)備制造、運(yùn)營成本高，啟動、停止都會帶來巨大的載荷以及電流波動，對設(shè)備本身以及包括電網(wǎng)在內(nèi)的周圍環(huán)境產(chǎn)生較大的影響。因此對于它們工作狀態(tài)的保障以及故障的診斷排除被人們廣泛重視。所以對于工作的旋轉(zhuǎn)部件的狀態(tài)保障至關(guān)重要。因?yàn)樵谶@種重載的工況之下，微小的瑕疵會迅速擴(kuò)展，導(dǎo)致零件失效甚至造成突然停車等產(chǎn)生重大沖擊破壞其它零部件的致命故障。所以，在故障初期診斷并確定故障，對于重型機(jī)床的使用維護(hù)，具有重要意義。

（一）為確保重型機(jī)床工作時的穩(wěn)定狀態(tài)，首先就要對機(jī)床裝配出廠時的工作狀態(tài)加以保證

由于重型機(jī)床床身零部件的尺寸以及質(zhì)量都大于一般機(jī)床，因此工廠在裝配過程中大多采用吊裝的方式將機(jī)床各個部分分塊組裝，最后將各部分裝配成機(jī)床整體，并調(diào)試試驗(yàn)。

（二）由于重型機(jī)床的體積、質(zhì)量巨大，它的加工控制操作需要通過數(shù)控來完成，而且目前的國產(chǎn)重型機(jī)床已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了數(shù)控化

而未來的數(shù)控系統(tǒng)將向智能化的方向進(jìn)一步發(fā)展，也就是逐步在某些方面替代腦力勞動。

對于重型機(jī)床的主軸箱裝配故障的研究，不僅可以為機(jī)床裝配過程中故障的消除提出指導(dǎo)性意見，還可以為后續(xù)的智能數(shù)控系統(tǒng)中自主監(jiān)測狀態(tài)這一子模塊提供相關(guān)技術(shù)儲備。

二、齒輪箱故障診斷技術(shù)

（一）齒輪箱故障診斷的主要階段

齒輪箱被廣泛應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域，由于其應(yīng)用的廣泛性以及在機(jī)械傳動中的重要作用，對其故障進(jìn)行研究，以期在故障導(dǎo)致破壞之前進(jìn)行人為干預(yù)，排除故障。重型機(jī)床主軸箱也是齒輪箱的一種，其故障類型與普通齒輪箱相似，卻又有其獨(dú)特的地方。對于齒輪箱的故障診斷，基本上可以分為三個主要階段。

1.原始數(shù)據(jù)的獲取，根據(jù)齒輪箱故障時所引起的各種異常現(xiàn)象，利用不同的傳感器來獲取其異常信息。

2.對原始數(shù)據(jù)的處理以及表征故障和缺陷的有用特征的

提取。

3.基于模式識別的方法和理論根據(jù)提取出的特征識別出故障類型。

（二）不同類型數(shù)據(jù)的采集

為了實(shí)現(xiàn)有效準(zhǔn)確地診斷故障的目標(biāo)，用不同類型的數(shù)據(jù)來分析和對比。目前，基于齒輪箱在故障狀態(tài)下工作情況的改變，主要被用來分析的信號包括振動信號、聲發(fā)射信號、熱信號以及油液磨粒信號。

機(jī)床的振動信號往往攜帶和包含著機(jī)床工作時的動態(tài)信息，這些信息能夠幫助實(shí)現(xiàn)故障特征的獲取和故障本身的診斷。振動信號被認(rèn)為是最可靠的原始據(jù)而被普遍采用。但是在一些特殊情況下，振動信號會不再適用，比如在低速旋轉(zhuǎn)的機(jī)器上。轉(zhuǎn)速低于100r/min被認(rèn)為是低工作轉(zhuǎn)速，在這種情況下，振動幅值會由于能量過低而降低，這也導(dǎo)致不能及早地對故障實(shí)現(xiàn)診斷。但是聲發(fā)射信號（AE）更適用于在這種工況。AE是在材料內(nèi)部或者表面應(yīng)變能瞬間釋放時所產(chǎn)生的彈性波。AE信號在低速條件下的表現(xiàn)優(yōu)于振動信號。此外，如果齒輪箱中存在不對中或者齒輪磨損，會在接觸部分產(chǎn)生額外的熱，而這些熱也會傳遞到其它的零部件，利用紅外照相機(jī)對齒輪箱的工作狀態(tài)進(jìn)行動態(tài)監(jiān)測，并利用軟件自動識別故障。油液顆粒監(jiān)測是另一種無損監(jiān)測手段，通過測量磨粒的尺寸、分析磨粒材料、計(jì)算磨粒積累的速度，可以對工作狀態(tài)進(jìn)行判斷。

（三）不同方法對故障特征的提取

傳統(tǒng)的用于齒輪箱分析的方法包括譜分析、倒譜分析、解調(diào)分析、統(tǒng)計(jì)分析、包絡(luò)分析等?？焖僮儞Q（FFT）的出現(xiàn)使得基于頻譜分析的故障診斷方法進(jìn)入嶄新的階段，為該領(lǐng)域帶來了新的發(fā)展。但是慢慢的人們發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)的FFT方法并不能有效地顯示故障特征的瞬變信號，而包絡(luò)譜分析雖然能夠展現(xiàn)故障特征，卻不能夠有效處理非穩(wěn)態(tài)信號。一些為了處理這種非穩(wěn)態(tài)問題的方法被發(fā)現(xiàn)和應(yīng)用，其中之一是短時變換（STFT）。這種方法將信號在等時間間隔上進(jìn)行分析，但是由于它的時域分辨率不能改變，會在分析需要細(xì)小分辨率的信號應(yīng)用上存在問題。小波變換的方法被成功地應(yīng)用于非穩(wěn)態(tài)信號的處理和內(nèi)含特征的提取。表2-1從處理非穩(wěn)定信號的能力、信號自適應(yīng)性、信號參數(shù)獨(dú)立性、時域表現(xiàn)能力四個方面對它們進(jìn)行了對比分析。

（四）不同故障的識別分類方法

通過分析可以識別和判斷出齒輪或者軸承的工作狀態(tài)。使機(jī)器能夠自己識別和判斷出故障的種類是應(yīng)用發(fā)展的方向。針對從故障齒輪箱提取的信號中存在各種不同源發(fā)出的不確定、隨機(jī)以及不完整的信息，引入在語音識別領(lǐng)域得到成功運(yùn)用的隱式Markov模型（HMM），以在實(shí)驗(yàn)中測得的信號數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，對未知故障的部件進(jìn)行診斷，取得了不錯的判斷結(jié)果。

三、結(jié)論

本文對重型臥式車床主軸箱出廠裝配故障進(jìn)行診斷，是將故障診斷的方法和理論用于工廠生產(chǎn)實(shí)際的探索與嘗試，對于工廠檢驗(yàn)和修正裝配過程故障具有指導(dǎo)意義。

參考文獻(xiàn)：

[1]李晶皎，王愛俠，張廣淵.模式識別[M].北京：電子工業(yè)出版社，2010：19-20.

[2]何正嘉，陳進(jìn)，王太勇，等.機(jī)械故障診斷理論及應(yīng)用[M].北京：高等教育出版社，2010：31-36.