滚动轴承故障振动检测实验台的机械结构设计论文编号:JX473 有设计图，论文字数:24694,页数:65 摘 要
本文利用传感器检测滚动轴承的振动信号进行故障检测与诊断，可以研究不同的滚动轴承的不同的故障所表现的出来的不同的振动信号。本文主要以外圈直径是50㎜、60㎜的深沟球轴承为例设计了滚动轴承故障振动检测实验台的机械结构部分，该实验台由动力源、减速装置、传动装置、装卡装置几部分组成。其工作原理是通过传感器采集轴承运转时被检测点的振动信号，对每个监测点画出频谱图,与开始建立的参考频谱图数据库比较,分析在哪些频率点振动级值增加,从而判断其故障所在。该实验台可以让学生通过实验对故障诊断这门新兴学科建立更深刻的认识，特别是对滚动轴承故障的振动诊断技术有深刻的认识和了解，进一步认识到故障诊断技术的重要性。
关键词 滚动轴承 故障检测与诊断 振动诊断技术 传感器
Abstract
This paper use sensor to diagnose antifriction bearings’ vibration signal for failure examination and diagnosis. It can study different kinds of vibration signals of different bearings which expressed out. This text mainly take the diameter of antifriction bearings are 50mm and 60mm for example to design the experiment pedestal. It contains motive source, gearbox, transfer device and charge equipments. Its’ work principle is to gather vibration signals of the examined points by sensor when antifriction bearing is wheeling, and then draw a frequency chart, then compare with the already built database. Analyze where the vibration value is increased, then judge the failure places and kinds. The pedestal can show more about the discipline of failure diagnosis, especially about the subject of antifriction bearings’ failure diagnosis. And acquaintance the importance of failure diagnosis subject.
Key words antifriction bearings failure examination and diagnosis vibrate diagnosis technique sensor
目 录
摘要 Ⅰ
Abstract Ⅱ第1章 绪论 1
1.1 课题背景 1
1.1.1 课题来源及研究的目的和意义 1
1.1.2 故障诊断技术的发展现状 1
1.1.3 滚动轴承故障诊断技术 2
1.2 本文研究的内容 3
1.3 本章小结 3
第2章 滚动轴承故障检测实验台总体设计 4
2.1 实验台的功能需求分析 4
2.2 振动检测实验台方案提出及评价 4
2.1.1 基本参数的确定 4
2.1.2 设计方案的确定与评价 4
2.3 本章小结 5
第3章 检测实验台传动部件设计 6
3.1 电动机的选择 6
3.1.1 选择电动机的类型和结构型式 6
3.1.2 确定电动机的容量 6
3.2 减速器的设计 8
3.2.1 齿轮的设计 8
3.2.2 减速器的润滑、密封以及附件的选择 16
3.3 联轴器的选择与法兰盘的设计 17
3.3.1 联轴器类型的选择 17
3.3.2 联轴器尺寸型号的选择 17
3.3.3 法兰盘的设计 17
3.4 本章小结 18
第4章 检测实验台的装卡机构结构设计 19
4.1 轴承箱的结构设计 19
4.1.1 支承部分的刚性和同心度 19
4.1.2 被检测滚动轴承的轴向紧固 19
4.1.3 被检测轴承游隙的调整 20
4.1.4 被检测滚动轴承的预紧. 20
4.1.5 被检测滚动轴承的润滑 20
4.1.6 被检测滚动轴承的密封装置 21
4.1.7 被检测滚动轴承安装轴的加载装置设计 22
4.1.8 被检测滚动轴承安装轴的设计与校核 22
4.1.9 导轨的设计 24
4.2 卡盘的设计 25
4.3 本章小结 26
第5章 传感器的选用与安装 27
5.1 传感器的选用 27
5.2 传感器安装 29
5.3 本章小结 34
第6章 检测实验台的经济技术性分析 35
6.1 系统结构设计的合理性 35
6.2 系统设计的经济性 35
6.2.1 选材方面 35
6.2.2 动力源方面 35
6.2.3 使用、保养、与维护方面 36
6.3 本章小结 36
结论 37
致谢 38
参考文献 49
附录1 40
附录2 49以上回答来自:
机床工作时产生振动，不仅会影响机床的动态精度和被加工零件的质量，而且还要降低生产效率和刀具的耐用度。振动剧烈时甚至会降低机床的使用性能，不仅如此，伴随振动所产生的噪声可能刺激操作工人，引起疲倦，导致工作效率下降。故振动问题必须引起我们足够的重视。随着科学技术的飞跃发展，对机器零件的制造精度和表面质量提出了更高的要求，从而机床振动问题的研究成为研制、生产和使用机床部门必须面对的重大课题。研究机床振动的目的，在于探究机床振动发生的原因，谋求防止和消除机床振动的方法，以及研制抗振性更佳的机床。
本文对机床的振动危害及减振方法做了一定的讨论及研究。机床的减振方法从理论上来说，一般有四种途径：1、减少激振力P。2、增大系统的阻尼 。3、增大系统中的刚度K。4、提高系统的固有频率 或改变激振频率 ，以使两者远离。本文主要是对卧式铣床的振动减振系统的实验特性的研究，由于铣床的外部环境及本身构造在其的研究中可看做是不可改变的因素，所以可以实现的减振方法只有附加谐振系统在振动结构上用以抵消原振动，以达到减振的目的。故本文主要讨论的减振方法属于阻尼消振的一种，即安装减振器或类似结构以抵消卧式铣床悬臂梁本身的振动，以达到减振的目的。
本文的研究主要可以分为以下三个部分：
首先，参照X62W型铣床，设计了一台用于减振试验的铣床模型机。铣床模型机模拟了铣床的主要结构，包括底座、立柱、刀轴等，并根据需要添加了减振槽、挂架及相当于偏心轮的模拟铣刀等结构。盛放不同规格钢球的减振槽相当于一个阻尼消振器，利用钢球之间及其与槽壁之间的碰撞摩擦，消耗铣床模型机的振动能量，以达到减振的目的。
其次，是对模型机固有频率的测定。这是试验最基本和首要的一步，用以作为标准衡量之后减振试验效果的好坏。本文讲述了三种模型机的激振方法：1、稳态正弦激励法：稳态正弦激励又称简谐激振，它是通过激振设备对被测试对象施加频率可控的简谐激振力，常用的激振设备是频带宽、波形好的电磁激振系统，由扫描信号发生器，功率放大器和激振器组成。 2、脉冲激励法：脉冲激振是用一把装有力传感器的锤子（又叫脉冲锤）敲击试件，它对试件的作用力为近似正弦波，其有效频率范围决定于脉冲持续时间τ，锤头垫愈硬τ越小，则频率范围愈大。使用适当的锤头垫材料可以得到要求的频带宽度，改变锤头配重块的质量和敲击加速度可调节激振力的大小。3、施加偏心激振力法：在模型机设计中，在模拟铣刀上设计了一通孔，使模拟刀具相当于一偏心轮，在高速旋转的状态下，即对系统产生一离心激振力，对调频电动机转速进行调节可改变激振力的大小。在本次试验中，主要是利用正弦激励法测定了模型机的固有频率，由于时间和条件限制，脉冲法只做了一组用于对比，最后一种方法仅作为设想来介绍。
最后，减振试验由于是多因素，多水平试验，要得到全面准确的试验结果，工作量十分大。故采用了科学的正交试验方案，既减少了试验次数，又可得出全面的结论。正交设计（Orthogoual design）简称正交设计（Orthogoual）,它是利用规格化的正交表（Orthogoual table），科学的安排与分析多因素试验的方法，使目前最常用的方法之一。正交表是指利用“均衡搭配”与“整齐可比”这两条基本原理，从大量的全面实验方案中，挑选出少量具有代表性的实验点，所制成的排列整齐的规格化表格。
在本次的实验中，安排了五组钢球减振实验以及一组沙子的减振实验。其中，钢球减振的前四组分别是根据钢球排列层数（包括两层及三层）、重量及规格设计的正交试验方案，第五组是一组为更好得到钢球大小和槽数对实验结果影响的对比而做的全面试验。另外，为对比钢球及其他材料的减振效果，还做了一组根据沙子重量设计的正交试验。六组实验的数据对比及结果分析从一定程度上说明了利用钢球减振的可能性。
在对振动问题的研究分析之外，本文也对现今国内外机床动态性能的研究作了一定的介绍，并指出了未来的研究趋势。
在本文的撰写过程中，参考了大量有关机床振动、动力学及冲击测试、试验模态分析等的有关书籍，并且得到了指导老师及同学的帮助。但由于时间及条件限制，可能存在一些不足之处，希望评阅老师指出并原谅。
第2章 机床振动问题的分析
2．1 机床减振问题的提出
机床工作时产生振动，不仅会影响机床的动态精度和被加工零件的质量，而且还要降低生产效率和刀具的耐用度。振动剧烈时甚至会降低机床的使用性能，不仅如此，伴随振动所产生的噪声可能刺激操作工人，引起疲倦，导致工作效率下降。故振动问题必须引起我们足够的重视。
当开动机床进行加工时，由于机床各运动部分彼此发生一定规律的相对运动，因而其摩擦表面上必然有摩擦力作用着。机床回转部分不平衡等因素必将使回转系统受到离心力的作用。切削过程中刀具切入工件去除金属层，将会使整个机床系统受到切削力作用。这些作用力并非保持常值，有的是周期性变化的，有的可能同系统某些元件的刚度轴线有一定的方位关系等。这些力在某些条件下会起一定的激振作用，从而使整个机床系统或其零部件发生各种类型的振动。机床振动一般分为三大类：1、自由振动2、受迫振动3、自激振动。
铣床的振动主要与切削过程有关，它包括由于铣刀齿间断切削和切削截面积变化所引起的受迫振动，以及由于切削力的变化所激发的颤振，从抗振角度来看，铣床是在繁重的条件下工作的，这是由于：1、切削力的变化较大。2、切除薄而宽的切屑，特别是用圆柱铣刀铣平面时。3、在使用最普遍的升降台铣床上，工作台必须按三个互相垂直的方向相对于主轴移动，这样就影响到铣床的刚度。
综上所述，机床振动是必须引起注意的一个重要的问题。随着科学技术的飞跃发展，对机器零件的制造精度和表面质量提出了更高的要求，从而使机床振动问题的研究成为研制、生产和使用机床部门必须面对的重大课题。研究机床振动的目的，在于探究机床振动发生的原因，谋求防止和消除机床振动的方法，以及研制抗振性更佳的机床。本文主要是针对卧式铣床的振动及减振问题的研究。
2．2 机床振动产生的原因及减振方法
2．2．1 机床振动产生的原因
机床振动按产生的原因一般分为：自由振动、受迫振动、自激振动。一般来说，我们主要是研究受迫振动及自激振动的产生原因，并寻找减少及消除这两种振动的方法。
1、自由振动：自由振动是指当系统的平衡被破坏，只靠其弹性恢复力来维持的振动。振动系统作自由振动时的频率就是系统的固有频率。
2、受迫振动：受迫振动是指在外激振力扰动下激发的振动。例如在车床，铣床和磨床上，常见到回转主轴系统的受迫振动，其频率取决于回转主轴系统的转速。发生受迫振动的原因是多种多样的，主要振源有以下这些：
（1）地基引起的机床振动。一般说来，如果不把机床与地基的振动隔绝起来，那么要在机床上加工出精度和表面光洁度很高的零件是不可能的。地基振动程度的大小取决于两个因素，一是由附近设备和通道运输引起的振动强度，二是土壤，楼板和建筑承载结构的谐振特性。地基的固有振动频率常在由上述设备产生的激振力的频率范围内。
（2）高速回转的机床不平衡部件和工件引起的振动。当机床的回转运动装置工作时，最强烈的受迫振动就是不平衡部件高速回转时所产生的激振力。例如电机的转子、主轴部件，装刀具的不平衡的刀杠。由此引起的受迫振动的频率，大致是这些部件每秒钟相应的转速。当用回转刀具工作时，例如在坐标镗床或金刚镗床上，强烈的振源来自刀具系统主轴部件的不平衡度。
（3）机床传动机构的缺陷所引起的振动。制造不精确或安装不良的齿轮会产生周期性的力而传动到机床回转或移动部件上，并在一定条件下可能成为受迫振动的振源。皮带传动中皮带的接头，三角皮带制造上的缺陷，轴承滚动体的不均匀等都会引起受迫振动。
（4）切削过程的间歇特性引起的振动。在许多情况下，加工方法本身导致切削力的周期性变化，这种变化是由于刀齿间歇地依次工作所引起的。在铣削加工时，一个周期性变化的切削力作用在铣刀上，在间歇切削时这个力的峰值是很高的，从而使铣床主轴系统承受更大的负荷。从动力学的观点来看，如果铣床使用不同刀齿数的铣刀，就一定会碰到各种可能的频率，当切削力的某些频率接近传动系统的某些扭转振动的固有频率时，会有一些危险。
（5）往复运动的机床部件的惯性力所引起的振动。具有往复运动部件的机床中，最强烈的振源就是部件改变运动方向时所产生的惯性力。
3、自激振动：自激振动是指机械系统由于外部能量与系统运动相耦合，（即系统的非振荡性能源通过反馈装置）形成振荡激励所产生的振动，当振动停止，振荡激励随之消失。振动频率接近于系统固有频率。此外，还有机床工作台等移动部件在低速运行时所发生的张弛摩擦自激振动（俗称爬行）。
在自激振动中，把金属切削过程中表现为刀具与工件之间强烈相对振动的一种称为“颤振”。机床颤振一般分为两类：第一类颤振出现于未经切削加工的毛胚表面。当第一次切削毛胚时在加工表面留下波纹（振纹）。这种颤振称为“初生颤振”。第二类颤振是在经过一次切削加工并留有振纹的工件表面进行第二次切削加工时形成的。
发生自激振动的原因，主要有以下这些：
（1）切削过程中，由于存在欠阻尼特性而引起初生颤振。
（2）前一次在工件表面产生的振纹，将使第二次走刀的切削深度发生周期性的变化，从而产生交变力而加强颤振。
（3）由于机床结构本身特性所引起的机床颤振。
写振动论文的关键是在现有研究基础上提出创新点，表明自己对研究领域有深入的理解和洞察力。以下是可能有助于写出创新性的振动论文的建议：
1. 选取领域前沿问题: 选择当前该领域中最新的、最具挑战性的问题进行研究。这样可以更好地展现个人研究的深度和广度，突出创新点。
2. 提供新的解决方案: 在研究问题的过程中，需要提出新的解决方案，以突显论文的创新性和实用性。尤其是要结合自己的研究背景和实践经验，发现问题并提供解决方案。
3. 开发新型振动控制算法: 研究发现很多现有算法不够灵活或者不够准确，因此可以通过自主设计新型振动控制算法来解决这些问题。同时，通过与其他领域的交流，结合机器学习、深度学习等技术，不断探索新的振动控制算法。
4. 利用新颖的材料: 研究振动特性的材料已经有很多，但是要达到更高的精度和效果，就需要探索新颖的材料。例如，开发新型复合材料和智能材料，这些材料具有特定的振动特性，可以应用于特定的领域，实现更好的效果。
5. 利用人工智能和大数据: 振动信号的分析和处理是一个复杂的过程，可以结合机器学习、深度学习、大数据等技术，将振动信号与其他相关数据进行联结，使用统计学和人工智能框架分析振动信号数据，得出更准确的分析结论。
无论你选择哪种创新点，都需要遵循科学的方法，严谨的实验设计和有效的数据分析，以提供有价值的研究成果。
转自： 摘要：数控机床是机电一体化紧密结合的典范，是一个庞大的系统，涉 及 机、电、液、气、电子、光等各项技术，在运行使用中不可避免地要产生各种故障，关键的问题是如何迅速诊断，确定故障部位，并 及 时排除解决，保证正常使用，提高生产效率。 关键词：数控机床; 故障诊断 ;检测 1数控机床的 故障诊断 技术 ①数控系统自诊断。开机自诊断数控系统在通电开机后，都要运行开机自诊断程序，对系统中关键的硬件和控制软件进行检测，并将检测结果在CRT上显示出来。运行自诊断运行自诊断是数控系统正常工作时，运行内部诊断程序，对系统本身、PLC、位置伺服单元以 及 与数控装置相连的其他外部装置进行自动测试、检查，并显示有关状态信息和故障信息。 ②在线诊断和离线诊断。在线诊断是指通过数控系统的控制程序，在系统处于正常运行状态下，实时自动地对数控装置、PLC控制器、伺服系统、PLC的输入输出和其他外部装置进行自检，并显示状态信息、故障信息。脱机诊断当数控系统出现故障时，需要停机进行检查，这就是脱机诊断。脱机诊断的目的是修复系统的错误和定位故障，将故障定位在最小的范围。 远程诊断实现远程诊断的数控系统，必须具备计算机网络功能。因此，远程诊断是近几年发展起来的一种新型的诊断技术。数控机床利用数控系统的网络功能通过互联网连接到机床制造厂家，数控机床出现故障后，通过机床厂家的专业人员远程诊断，快速确诊故障。 2 数控机床故障 的实用诊断方法 ①诊断常用的仪器、仪表 及 工具万用表-可测电阻、交、直流电压、电流。 相序表-可检测直流驱动装置输入电流的相序。转速表-可测量伺服电动机的转速，是检查伺服调速系统的重要依据。钳形电流表-可不断线检测电流。测振仪-是振动检测中最常用、最基本的仪器。短路追踪仪-可检测电气维修中经常碰到的短路故障现象。逻辑测试笔-可测量数字电路的脉冲、电平。IC测试仪-用于数控系统集成电路元件的检测和筛选。工具-弹头钩形扳手、拉锥度平键工具、弹性手锤、拉卸工具等。 ②诊断用技术资料主要有：数控机床电气说明书，电气控制原理图，电气连接图，参数表， PLC程序，编程手册，数控系统安装与维修手册，伺服驱动系统使用说明书等。数控机床的技术资料非常重要，必须参照机床实物认真仔细地阅读。一旦机床发生故障，在进行分析的同时查阅相关资料。 ③故障处理。故障软故障-由调整、参数设置或操作不当引起硬故障-由数控机床(控制、检测、驱动、液气、机械装置)的硬件失效引起。 故障处理对策除非出现影响设备或人身安全的紧急情况，不要立即切断机床的电源，应保持故障现场。从机床外观、CRT显示的内容、主板或驱动装置报警灯等方面进行检查。可按系统复位键，观察系统的变化，报警是否消失。如消失，说明是随机性故障或是由操作错误引起的。如不能消失，把可能引起该故障的原因罗列出来，进行综合分析、判断，必要时进行一些检测或试验，达到确诊故障的目的。 ④数控系统 故障诊断 方法。直观法(望闻问切)：问-机床的故障现象、加工状况等看-CRT报警信息、报警指示灯、电容器等元件变形烟熏烧焦、保护器脱扣等听-异常声响闻-电气元件焦糊味 及 其它异味摸-发热、振动、接触不良等。参数检查法：参数通常是存放在RAM中，有时电池电压不足、系统长期不通电或外部干扰都会使参数丢失或混乱，应根据故障特征，检查和校对有关参数。隔离法：一些故障，难以区分是数控部分，还是伺服系统或机械部分造成的，常采用隔离法。同类对调法用同功能的备用板替换被怀疑有故障的模板，或将功能相同的模板或单元相互交换。功能程序测试法：将G、M、S、T、功能的全部指令编写一些小程序，在诊断故障时运行这些程序，即可判断功能的缺失。 ⑤ 故障诊断 应遵循的原则。第一，先外部后内部数控机床的检修要求维修人员掌握先外部后内部的原则，由外向内逐一进行检查排除。第二，先机械后电气首先检查机械是否正常，行程开关是否灵活，气动液压部分是否正常等，在故障检修之前，首先注意排除机械的故障。第三，先静后动维修人员本身要做到先静后动。首先询问机床操作人员故障发生的过程 及 状态，查阅机床说明书、图纸资料，进行分析后，才可动手查找和处理故障。 数控机床是现代化企业进行生产的一种重要物质基础，是完成生产过程的重要技术手段，强化管理是关键，“防”与“治”的结合是解决数控机床“使用难、维修难”的唯一途径。 参考文献： [1]丁景祥浅.谈自动控制设备系统 维修技术 [J].西部探矿工程,2003,(12). [2]张路霞,李大庆,王晓伟.基于FANUC的 数控机床故障 自诊断[J].水利电力机械,2007,(11).
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