热力耦合作用下高速电主轴动力学分析与实验研究

Motorized spindle is a key component of the high-speed NC machine tools. The thermal characteristics of motorized spindle have great effect on its system stability especially for machining precision during high-speed revolution, which makes difficulties in studying the dynamic behavior of motorized spindles. The representation method of high-speed motorized spindle dynamic characteristic with thermo-mechanical coupling effects is studied in this project to analyze and forecast the dynamic response of the system. Based on the detailed study of multi-physical coupled heat generated and heat transfer mechanism, the thermal characteristic model of high-speed motorized spindle is established. The quantitative relationship among the principal parameter of angular contact ball bearing and preload, friction heat and stiffness is calculated. The internal relations between preload and thermal and mechanical property parameters of spindle-bearing system is investigated. The theories and methods of thermo-mechanical coupled dynamic characteristics of high-speed motorized spindles are proposed, in order to explain thermo-mechanical coupling dynamics and reveal the influence mechanism of design parameters, coupling factors on the dynamic performances of the system. This project is belong to the basic issues and research frontiers of the interdiscipline, provides a theoretical basis for the optimal design of motorized spindle and has important scientific significance and application value.

电主轴是高速数控机床的核心功能部件之一，在高速旋转过程中，其热特性对系统稳定性尤其对机床的加工精度有很大影响，是高速电主轴动态性能研究领域的难点。本项目拟研究热力耦合作用下高速电主轴系统动力学特性表征理论与方法，实现电主轴系统动态响应分析与预测。在深入研究多物理场耦合作用下电主轴生热机理与传热机制的基础上，建立基于温升机理的高速电主轴热特征模型；理论分析与计算电主轴角接触球轴承内部主参数与预紧力、发热及刚度的定量关系；探讨预紧力与主轴-轴承系统热学和力学性能参数的内在关系，提出高速电主轴热力耦合动力学特性分析理论与方法，解释高速电主轴热力耦合动力学问题，揭示高速电主轴设计参数、耦合因素对系统动态性能指标的影响机理和规律。该项目属于交叉学科的基础性问题和研究前沿，为高速电主轴单元优化设计提供理论基础，具有重要的科学意义和应用价值。

电主轴单元是数控机床的核心部件，其动力学行为直接影响机床的加工精度和加工效率。揭示电主轴高速运转时的离心效应和热效应对动态特性的影响规律，是目前研究热点之一。本项目详细研究了电主轴单元及其支撑轴承在高速时引起的离心变形和热变形以及其它影响因素下各自的动态特性表现形式。首先，基于非Newton弹流润滑理论，考虑表面粗糙形貌、热效应和时变效应，建立多参数耦合的滚动轴承油膜刚度模型，从不同角度研究各因素对油膜刚度的影响规律。其次，建立考虑热变形和离心变形的修正Jones轴承模型，研究两种效应下以及不同转速和载荷作用下轴承的接触载荷、接触变形及接触角等的变化规律，并结合上述油膜刚度计算公式构建了滚动轴承综合动刚度模型。然后，研究定转子间气隙、热诱导预紧力、冷却系统参数等影响下电主轴单元的热态特性，根据整个单元的温度场分布，计算出各零部件的热变形量。此外，在上述轴承动刚度综合模型的基础上，考虑热效应和离心力对主轴变形的影响，结合Timoshenko 梁理论，建立热力耦合效应下主轴-轴承系统动力学模型，研究电主轴热学与力学间的耦合机理，探讨电主轴单元高速时固有频率和模态振型等动态特性的变化规律，同时，详细研究了刀柄结合面和离心力对主轴系统动态特性的影响。最后，建立高速电主轴测试实验平台并进行实验研究，验证上述理论模型的正确性，同时，在实验研究中，针对滚动轴承振动信号数据采集的数目巨量问题，提出一种数据压缩采集方法；针对采集到的振动信号存在早期故障不明显和存在冗余等问题，分别提出了基于峰值指标、小波分解和Hilbert包络谱分析的特征提取方法、EMD算法与样本熵结合的特征提取方法和基于小波包层次熵的电主轴特征提取方法，以获取更精确的故障特征。该项目研究成果丰富了轴承-转子系统动力学理论体系，对于我国电主轴甚至整个机床行业具有重要的科学意义和应用前景。