高速电主轴滑动轴承—转子系统动力学关键特性参数识别

发布时间：2019-09-22 06:43

【摘要】：随着先进制造技术的发展,高速电主轴和滑动轴承在高档数控机床中得到了广泛地应用。滑动轴承油膜特性系数、电主轴系统不平衡量等动力学关键特性参数与电主轴系统响应之间存在着非常复杂的关系,直接影响着机床的加工精度。然而由于加工条件和测试环境等一些复杂因素的影响,通常很难直接获取滑动轴承油膜特性系数和电主轴系统不平衡量。本文主要围绕高速电主轴滑动轴承—转子系统动力学关键特性参数滑动轴承油膜特性系数和不平衡量的参数识别展开研究。首先建立滑动轴承油膜特性系数、不平衡量和电主轴系统响应的高精度、高效率正问题模型,获得滑动轴承油膜特性系数、不平衡量与电主轴系统不平衡响应、瞬态响应等动力特性的映射关系;然后针对反问题的不适定性和滑动轴承油膜特性系数的不确定性,在滑动轴承油膜特性系数和不平衡量的参数识别方面进行系统地研究。本文在大量文献研究的基础上,开展并完成的主要工作如下:1)针对建立电主轴系统动力学模型时要考虑电机转子的自重和电磁转矩的问题,提出改进Riccati传递矩阵法,建立滑动轴承油膜特性系数和转子不平衡量参数识别中的流固耦合动力学模型。引入电机的自重和电磁转矩,扩大状态向量维数为10维,获得计算电主轴系统的复频率和不平衡响应的位移传递矩阵模型。为克服位移传递矩阵法数值的不稳定,结合Newmark加速度法改进位移传递矩阵,获得用于电主轴系统瞬态响应分析的加速度传递矩阵模型。2)针对传统轴承转子系统动力特性分析方法的耗时性、不稳定性,提出了高效高精度的电主轴系统不平衡响应和瞬态响应分析方法。首先用有限变分法研究弹性转子滑动轴承层流和紊流下滑动轴承油膜特性,将滑动轴承油膜力与油膜特性系数联合起来一并求解,避免了有限差分法时多次迭代的时效问题,大大提高了计算效率。再针对实际工程中只关注系统共振区域中临界转速的现象,采用幅角原理判定这一共振区域中特征多项式根的个数,采用双种群进化策略对电主轴系统特征多项式的根进行求解,避免了传统的抛物线法对初值选取的敏感,可以快速地求得电主轴系统的复频率,且可避免漏根现象。然后通过改进的电主轴系统不平衡响应Riccati法获得各截面的不平衡响应。同时,针对电主轴系统瞬态响应分析中滑动轴承点传递矩阵建立困难的问题,提出了一种Riccati-Newmark加速度传递矩阵法。借Newmark加速度法建立传递矩阵,采用Taylor级数预估滑动轴承轴心下一时刻的位移和速度,结合滑动轴承油膜特性系数动态分析方法建立滑动轴承点传递矩阵。依据边界条件用改进的电主轴系统瞬态响应Riccati法求解电主轴滑动轴承—转子系统的瞬态响应。3)针对高速重载下滑动轴承油腔复杂,滑动轴承油膜特性系数不便于直接获取的难题,提出了一种高效的滑动轴承油膜特性系数的参数识别方法。该方法将参数识别问题转化为最优化问题,通过最小化电主轴系统不平衡响应的实验值和计算值的偏差来识别滑动轴承油膜特性系数,并采用隔代映射遗传算法来寻优。通过数值算例对这一方法的效率和精度进行了验证。最后将其应用于一转子实验台,识别出转子实验台中两滑动轴承的16个油膜特性系数。4)针对传统的现场识别不平衡量需要多次转子启停,成本大以及不平衡量和滑动轴承油膜特性系数之间交互影响的问题,提出了电主轴系统不平衡量的识别方法。此方法将不平衡量的识别转化为不平衡力的识别,将不平衡力在时域内用一系列的脉冲函数来表示,利用电主轴系统的瞬态响应分析方法来构建正问题。结合正则化方法处理不平衡力识别中的病态问题,稳定地识别电主轴系统不平衡量。然后考虑滑动轴承油膜特性系数为不确定变量,发展了基于区间分析理论的不平衡量识别方法。基于区间数学理论和一阶泰勒级数展开式的区间法将具有不确定变量结构的不平衡量识别方法转化为两类确定性变量的不平衡量识别问题。利用区间运算方法实现具有滑动轴承油膜特性系数不确定变量的电主轴系统的不平衡量上边界和下边界的确定。最后通过数值算例检验了不平衡量识别方法的有效性和鲁棒性。并应用此方法识别一转子实验台的不平衡量进行动平衡。
【图文】：

离散化模型,传递矩阵法,电主轴,转子系统

变化的过渡点。一个自然轴段有两个自然结点。自然轴段左端的点叫左结点，自然轴段右端的点叫右结点。因此，当一个转子被划分的自然轴段有s个时，这个转子的自然结点就有s+1个，如图2.2b)所示。然后将每个被划分的自然轴段的质量集总到选定的结点上。这些结点往往选在轮盘、联轴器、轴承与叶轮的中央以及轴径突然变化的地方。轮盘假定为刚性盘，取其重心作为盘的安装面，其重心也取为分段点。集总后，相邻两个圆盘间的轴段被称为主轴段。为了减少系统的自由度，一个主轴段内可以含有多个轴径不等的自然轴段。主轴段内的自然轴段被认为是没有质量只考虑弹性的理想自然轴段。将质量连续分布的实际转轴简化为一系列具有集中质量的等厚刚性薄圆盘，各刚性圆盘之间用无质量的弹性轴段连接。集总圆盘以结点表示，两结点之间的无质量轴段以场表示，如图2.2c)所示。当滑动轴承油膜特性以线性理论处理时，滑动轴承模型如图2.2d)所示。油膜对轴颈起线性支撑作用。滑动轴承油膜刚度和阻尼以矩阵的形式体现轴颈处于平衡位置时两径向方向的相互影响和交叉影响[127]，即系统处于平衡状态时的轴承17

电主轴,转子系统,滑动轴承,模块化

图 2.3 电主轴滑动轴承—转子系统模块化图根据传递矩阵法的研究方法，考虑电主轴的自身特点，，建立电主轴滑动轴承—转子系统模块化图如图2.3所示。沿轴线将电主轴系统离散为N个轴段，每一轴段的质量按质心不变的原则分配到轴段两端的截面上。这样便将质量和转动惯量集中到轴段左右两端构成刚性圆盘。轴段本身简化为无质量的等截面弹性轴。集19
【学位授予单位】：湖南大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TG502.3

【参考文献】