高速主轴系统多参数动力学建模与故障演化机理研究

航空、航天、能源、国防等领域高、精、尖复杂产品的加工对制造装备的性能不断提出新的挑战，制造装备动态行为仿真、早期故障诊断已成为保证加工精度的关键。本项目聚焦于高档数控机床的核心功能部件- - 高速主轴系统，研究结合面、转速、工作温升及外部载荷等参数对高速主轴系统动态特性的影响规律，解决结合面非线性刚度与阻尼参数的辨识问题，建立高速主轴系统多参数动力学模型；改进Jones滚动轴承模型，建立高速滚动轴承力-热耦合非线性模型，揭示轴承损伤的萌生与演化机理，弥补传统轴承故障模型未充分考虑损伤产生机理的不足；研究高速主轴系统早期故障与振动响应机理，建立故障与系统动态响应之间的映射、解耦及预示模型，为高速主轴系统信号处理与特征提取提供依据；设计实验，模拟高速主轴系统早期故障，结合动态信号测试对故障预示模型进行验证与修正。.本项目将为高速主轴系统动态行为仿真、早期故障诊断、加工精度保持等提供新的理论与技术。

本项目聚焦于高速机床主轴系统，研究了动力学建模、高速滚动轴承损伤机理和故障振动响应机理等三个主要内容。在动力学建模方面，提出了一个具有一般性的高速主轴转子-轴承-轴承箱系统动力学建模方法，并进行实验验证。将主轴与机床进行耦合，提出了一种高速主轴-机床系统耦合建模及模型修正方法。在高速滚动轴承损伤机理方面，建立了一种高速滚动轴承力-热耦合模型，分析旋转内圈离心膨胀和热膨胀变形对轴承动态特性的影响。建立了滚动轴承6自由度损伤动力学模型，定量仿真不同损伤类型、损伤程度时的振动响应规律，为滚动轴承故障高效诊断及智能预示提供依据。建立了滚动轴承滚动接触疲劳的损伤-寿命耦合方程，分析外部载荷、预紧力以及转速对疲劳损伤寿命的影响规律。在故障振动响应机理方面，利用数学模型描述滚动轴承元件表面早期损伤故障，定量研究冲击力与工况之间的关系。提出了基于动力学模型的高速主轴铣削颤振故障预测新方法,提高了预测精度。建立了高速主轴早期故障激励与系统动态响应之间的映射关系，定量仿真滚动轴承损伤、不平衡等故障激励下高速主轴的振动响应，为传感器优化配置、故障诊断、主轴动平衡提供依据。. 研究成果在ASME Transaction,　International Journal of Machine tools and　Manufacture等国际权威期刊共发表SCI论文7篇，EI论文13篇。获得了国际会议优秀论文奖1项。研究成果得到美国北卡罗来纳大学、ASME期刊副主编Schmitz教授，加拿大卡尔加里大学Park教授等人的引用和正面评价。授权发明专利2项，获得软件著作权1项，团队成员1人获得陕西省青年科技新星称号，培养了2名博士生，3名硕士生，并进行了广泛的国内外学术交流。