《旋转机械主轴部件的振动检测及故障诊断技术研究》

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该项目是2013年浙江省质监系统科研计划项目。1.课题背景主轴部件是旋转机械中的一个关键组件,它的功能是支承并带动工件、刀具或主要机构完成旋转运动,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。主轴部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,设备的高速化也对主轴部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。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。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正其缺陷提供技术支持。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中国台湾地区同行业的技术水平,已经成为制约中国机床主轴行业发展的瓶颈之一。随着中国机床行业的发展,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,机床行业急需开发研制高速主轴。高速主轴在制造和应用中,振动是一个重要问题。高速主轴在开发研制中也需要一系列的科学手段和先进仪器对其检验,在中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。2.技术原理及性能指标:该项目以机床的主轴部件为研究对象,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;采用国内市场上已较为成熟的检测仪器模块式构建方法,选择适合该课题检测任务的仪器功能模块,将适合的模块进行组合、拼装,构建检测与分析系统。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。主要性能指标如下:旋转机械主轴部件的振动检测及故障诊断测试设备1套,主轴部件振动测量采用涡流探头,测量范围为:0~2000μm;温度测量采用温度探头传感器,测量范围为:-20℃~300℃;传感器接收信号经过调理器综合处理后由工控机识别,并对数据进行分析处理,出现异常信号时可识别并发出警告;全面总结机床主轴性能的总体评价,实现对机床故障的检测及故障类别、位置和程度的综合评价,能给出故障的维修与维护建议;在国内专业刊物上发表论文1篇;获得实用新型专利1项,软件著作权1项。3.技术的创造性与先进性:该系统实现主轴部件的实时监控与故障诊断,可以做到早维修,保证设备安全、高效地稳定运行,避免因定期维修造成的人力、资源浪费现象,减少了专家出现在现场的频率,减少了检测成本,是未来检测行业的发展趋势;小波包分析能将信号按任意的时频分辨率分解到不同的频段。小波包空间的完备性和正交性使得信号经过小波包交换后,所有成分均得到保留,这对于分析信号特征尤其是能量分布特征提供了条件。该系统采用基于转速基频的小波包频带能量分布特征自动提取方法,通过对主轴转速进行采集,根据转速确定小波包分解层数,再分解到指定层上以获取信号频带能量比,可有效地消除转速频带分布的影响,整个计算过程自动完成。针对故障状态的模糊性,利用模糊C均值聚类算法对特征向量进行分类,产生各个故障状态的标准聚类中心,然后按照最小欧式距离进行故障状态识别,且该模型具有自学习及可扩展性。该系统还有实时数据保存功能,对进一步研究旋转机械主轴部件故障积累第一手原始资料,具有重要价值。4.推广应用:项目承担单位在项目研究领域的相关产品检测能力已通过计量认证。目承担单位在该领域已向社会提供该方面的检测及技术咨询服务,帮助企业突破技术障碍、提升产品质量水平;配合质监局等政府部门及行业主管部门对数控机床产品质量进行专项监督抽查和评估,为政府监管提供重要支撑,为该省基础制造及"中国制造2025"的推进工作发挥积极作用。该系统可为客户提供"一站式"旋转机械主轴监测系统解决方案。该解决方案引起多家企业关注,并积极配合对相关关键旋转主轴安装该监测系统,确定良好效果,帮助企业有效地遏制了故障损失和设备维修费用。项目成果自实施和推广以来,已在多家单位试用,并获得好评。

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