高速机械主轴设计及其轴承故障诊断方法研究

发布时间：2020-08-26 18:24

【摘要】：主轴系统作为高速加工中最重要的组成部分,其性能直接影响高速加工的加工精度与效率。制约主轴系统性能的因素有主轴刚度以及主轴系统热态特性,主轴轴承和皮带轮处的热问题是主轴系统中必须考虑的问题。本文基于课题要求设计了一台双头高速机械主轴,对机械主轴的动力学问题和热问题进行了研究,并针对实际应用中主轴振动较大的问题提出一种新的方法用于诊断主轴轴承故障。本文主要研究内容包括:(1)根据课题要求设计了一台双头高速机械主轴,对电机、轴承等组成部件进行选型计算并对机械系统结构进行了运动学分析:利用Ansys Workbench软件对所设计的主轴进行静态特性分析得到其静刚度,利用Matlab软件计算主轴系统静刚度,对比仿真结果与Matlab计算结果,说明仿真结果的合理性,利用Matlab软件对主轴前端悬伸量和主轴轴承跨距进行优化设计,得到主轴前端悬伸量和主轴轴承跨距的最优解。利用Ansys Workbench软件对优化后的高速机械主轴单元进行动态特性分析,并验证其一阶临界转速高于主轴系统设计转速,主轴系统可以避开共振区域稳定工作。动静态仿真分析表明结构设计合理。(2)研究了高速机械主轴系统主轴轴承以及主轴皮带轮处的热特性,利用热网络法建立主轴轴承处的热传递方程,计算轴承外圈中心节点的温度,并将计算结果与利用Abaqus软件仿真分析结果对比,说明仿真分析的合理性。利用Abaqus软件分析不同转速和不同润滑脂粘度下主轴系统温升,得出主轴转速以及润滑脂粘度对主轴轴承温升的影响规律。仿真结果表明主轴系统轴承温升均低于国家标准。对主轴系统最高转速下的热变形进行有限元分析,热变形分析结果显示主轴最大变形量满足设计要求。(3)研究了不同故障诊断算法的优劣,提出H-DT-CWT算法对主轴系统轴承故障进行诊断。以凯斯西储大学轴承试验数据为例使用不同算法进行分析,验证H-DT-CWT算法的优越性。(4)搭建主轴系统测试试验平台,对不同转速下主轴系统温升进行测试,对比测试结果与有限元分析结果说明仿真分析的合理性且该主轴系统轴承以及皮带轮处温升在合理范围内,主轴系统满足设计要求;采集主轴振动信号,对主轴转速为1200r/min时的测试信号采用不同算法进行分析,进一步证明H-DT-CWT方法对主轴轴承故障信息识别的准确性。本文通过理论设计、仿真分析以及实验研究,设计了高速机械主轴系统,并分别对主轴动静态特性、轴承和皮带轮处热特性进行研究,完成了主轴系统优化设计;针对本文设计主轴在实际应用中振动过大问题提出H-DTCWT算法应用于轴承故障诊断,为高速主轴设计与应用提供了一定的指导。
【学位授予单位】：武汉理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TH133.3
【图文】：

根据主轴系统初期跑磨合阶段振动过大问题，分析 Hilbert 包络分析、经验模态分解方法（EMD 方法）以及双树复小波变换（DT-CWT）等不同故障诊断算法的优劣并提出 H-DT-CWT 算法对主轴系统轴承故障进行诊断。以凯斯西储大学轴承试验数据为例对不同算法进行分析，证明 H-DT-CWT 算法优越性。然后在第三章设计试验平台上进行主轴振动信号采集，对 10Hz(1200r/min)下测试信号采用不同算法进行分析，确定故障部位，并对拆卸下来的轴承进行微观检测证明该方法识别信息的准确性。

高速机械,主轴,基本结构

图 2-1 高速机械主轴基本结构，1 为主轴；2 为砂轮；3 为轴承；4 为定位套；5 为套筒；6。结构设计动方式选择传动方式主轴单元一般有齿轮式传动、皮带式传动、直联式传动三种传式传动传动比范围大，传动效率高，但制造成本较高且适用于一般应用于普通车床低速加工场合，在高速主轴单元很少使式；直联式传动是将电机与主轴系统直接相连，这种传动方声小，但是需要较高的对中和制造精度，若联轴器校正不良剧升高、主轴震动过大、主轴偏摆过大、加工精度不良、甚。皮带式传动可通过不同传动比实现升降速、增加扭矩等功

示意图,三相异步电动机,尺寸参数,技术参数

机文设计高速机械主轴系统，在实际加工中为满足工厂效间工作，且经常处于加速、切削以及制动等情形中因此速时运动平稳、转速波动小、抗干扰能力强，在变速运启停时主轴电机安全可靠性高、工作寿命长等要求，最步电机。高速机械主轴系统要求最高线速度不低于 100 外径，考虑到主轴系统采用电机带动，则主轴额定转速轴系统 dmn 值为 0.75×106，满足高速加工速度要求，故000r/min，以 1:2 的传动比进行传动。本文选用西门子的机，电机结构示意图如图 2-2 所示，主要技术参数以及。

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