高转速对电主轴系统动力学特性的影响分析

高速切削的加工质量、加工效率与高速主轴系统的动力学特性密切相关,而转速对主轴系统的动力学特性有着明显的影响。该文首先确定了由高转速所诱发的主轴系统动力学特性影响因素,包括离心力、陀螺力矩以及轴承刚度软化等,并列举了围绕上述影响因素的相关研究成果。在此基础上,基于有限元法构建了考虑转速的主轴-轴承的通用有限元模型。以某电主轴为例,分别定性或定量分析了离心力、陀螺效应、轴承的径向刚度以及上述因素的耦合对高速主轴动力学特性的影响。该文的研究表明,主轴在高速运转状态下,轴承径向刚度、离心力和陀螺效应对主轴系统动力学特性都有较显著的影响,在对高速运转状态下的主轴系统动力学建模时,必须考虑上述影响因素。     

高速主轴动力学建模及速度效应分析

考虑高速旋转部件的离心力和陀螺力矩效应,利用Timoshenko梁单元和转盘单元建立主轴转子、转盘、主轴箱等部件有限元模型,并对Jones轴承模型进行扩展建立高速滚动轴承非线性模型。将各子部件模型进行集成,得到整个高速主轴系统的非线性动力学方程,并进行试验验证。分别从转子陀螺力矩、转子离心力和轴承软化这三个角度,系统地研究高速旋转状态下主轴-轴承系统内部的速度效应及其对整个系统动态特性的影响规律。结果表明:当系统存在较大的阻尼比(1%~5%)时,陀螺力矩对系统的直接频率响应函数影响不明显,但是对交叉传递函数的影响显著;随着主轴转速的升高,主轴转子的离心力效应会逐渐削弱主轴系统的刚度,最终使整个高速主轴系统的固有频率降低;必须综合考虑主轴转子的离心力效应和轴承的软化效应,才能比较准确地仿真高速主轴系统的动力学特性。     

高速主轴动力学建模及高速效应分析

考虑高速旋转部件的离心力和陀螺力矩效应,利用Timoshenko梁单元和转盘单元建立主轴转子、转盘、主轴箱等部件有限元模型,并对Jones轴承模型进行扩展建立高速滚动轴承非线性模型。将各子部件模型进行集成,得到整个高速主轴系统的非线性动力学方程,并进行试验验证。分别从转子陀螺力矩、转子离心力和轴承软化这三个角度,系统地研究高速旋转状态下主轴-轴承系统内部的速度效应及其对整个系统动态特性的影响规律。结果表明:当系统存在较大的阻尼比(1%~5%)时,陀螺力矩对系统的直接频率响应函数影响不明显,但是对交叉传递函数的影响显著;随着主轴转速的升高,主轴转子的离心力效应会逐渐削弱主轴系统的刚度,最终使整个高速主轴系统的固有频率降低;必须综合考虑主轴转子的离心力效应和轴承的软化效应,才能比较准确地仿真高速主轴系统的动力学特性。     

高速滚动轴承力学特性建模与损伤机理分析

滚动轴承广泛应用于航空发动机转子、高速数控机床主轴、高速列车轮对等高速旋转机械系统中,其力学特性和运行状态对整个转子系统的精度、可靠性及寿命等具有重要的影响。当转子-轴承系统在高速旋转时,所产生的离心惯性力和陀螺力矩,使轴承负荷增加,高速旋转的轴承内圈还将发生径向离心膨胀变形;另外,随着运行时间的增长,工作温度将升高,转子、轴承等部件会发生热变形。在离心惯性力和工作温升的综合作用下,轴承结构元件的几何位置关系会发生改变,从而改变轴承的刚度、应力、应变等动态特性。本文考虑了旋转内圈离心膨胀和热膨胀变形对轴承内部几何位移的影响,对Jones提出的轴承模型进行改进,建立了一种高速滚动轴承力学模型,可以预测滚动体与内圈、外圈之间的接触角、接触变形以及接触载荷等参数,并计算轴承刚度。在该轴承力学模型的基础上,研究了静载荷、动态载荷及高转速等工况下滚动轴承内部接触载荷、接触位置的变化规律,并基于材料疲劳失效理论对轴承的损伤机理和早期损伤部位进行了分析,为高速滚动轴承的损伤识别和故障诊断提供理论依据。     

机床主轴-滚动轴承系统非线性动力学分析

通过对机床主轴-滚动轴承系统的研究,建立了一个基于Hertz接触力模型的6自由度系统动力学微分方程,初步探讨在非平衡力作用下,具有负游隙的机床主轴-滚动轴承系统的非线性动态特性和稳定性.结果表明,由于游隙和变刚度的影响,随控制参数频数比的变化,系统将出现失稳和复杂的非线性现象;通过对比正、负游隙下的系统响应,可得到负游隙有助于提高机床主轴-滚动轴承系统稳定性的结论,该结论与其他学者[10]实验所证明的轴承预紧有助于提高主轴-轴承系统的固有频率,进而提高系统稳定性的结论相吻合.     

高速电主轴角接触球轴承刚度及其对电主轴临界转速的影响分析

针对高速电主轴角接触球轴承高转速的特点,建立角接触球轴承的拟静力学模型,分析径向力与电主轴转速对轴承滚珠与轴承沟道的接触角、接触力的影响;根据轴承与滚珠的受力平衡条件,研究角接触球轴承刚度受电主轴转速与预紧力的影响;基于Timoshenko梁理论,建立轴承-主轴的有限元模型,分析不同预紧力下角接触球轴承对电主轴临界转速的影响。结果表明:径向力与电主轴转速将改变轴承滚珠与轴承沟道的接触角与接触力,减小预紧力与升高转速会导致轴承的刚度降低,进而降低电主轴的临界转速;需要综合考虑角接触球轴承离心力、内圈膨胀和预紧力等影响因素,才能有效保障电主轴的安全运行。     

弹性机匣双盘碰摩转子系统的稳定性

建立了计及机匣弹性、陀螺力矩并考虑轴承回转动力激励的悬臂双盘碰摩转子系统的动力学模型和运动微分方程,根据稳定性理论,由Jacobi矩阵特征值的性质分析了转子系统参数对转子系统解的稳定性的影响,并利用系统的阶跃响应和零极点分布图判别系统运动是否稳定。分析结果表明：轴承回转动力激励和碰摩对系统稳定性产生不利影响;两轴承刚度对稳定性影响基本相同,而两轴承的回转动力激励和两圆盘碰摩对稳定性影响明显不同;机匣连接刚度越小,机匣刚度越大,越有利于系统的稳定;轴承刚度大于临界轴承刚度时,系统存在稳定运动区域,否则系统不存在稳定运动区域。     

深沟球轴承三维非线性时变振动特性研究

为了深入揭示滚动轴承的振动特性,本文以深沟球轴承6304为研究对象,考虑轴承座和套圈变形对轴承振动的影响,建立了轴承-轴承座系统全柔体三维接触非线性动态有限元分析模型。针对轴承刚度的非线性特征,提出了轴承时变刚度计算方法,研究了转动过程中的滚动轴承刚度的时变特性。在充分考虑时变刚度、径向游隙以及非线性接触等非线性因素的基础上,对深沟球轴承进行了转动过程非线性数值仿真,获得了轴承内、外圈和滚动体等结构零件的振动加速度,并分析了轴承内、外圈和滚动体的时域和频域振动特征以及游隙对轴承振动特性的影响,为轴承的减振降噪和运行状态监测提供了理论分析依据。     

计及陀螺效应的翼吊式机翼-发动机系统结构动力学特性研究

针对翼吊式发动机机翼系统的特点,运用Hamilton原理建立了计及发动机陀螺效应的Bernoulli-Euler悬臂梁振动方程;从陀螺力矩理论出发,分析了转子对结构的耦合作用机理,研究了不同转子转速和结构参数条件下,转子陀螺效应对悬臂梁结构固有特性的影响,从而为进一步研究计及转子陀螺效应的大型客机机翼发动机系统动力学特性及气动弹性特性奠定了一定的理论基础。     

考虑弹流润滑及滑动作用下滚动轴承系统局部缺陷位移激励动力学建模

滚动轴承动力学模型可深入的分析轴承局缺陷动态响应特性。针对滚动轴承局部缺陷动力学建模在弹流润滑、滑动和轴承座等方面考虑因素不全的问题,建立弹流润滑及滑动作用下滚动轴承系统局部缺陷位移激励的二自由度动力学模型。首先对滚动体与滚道间的接触刚度、润滑油膜刚度和阻尼、轴承座刚度和阻尼计算并求得总的接触刚度和阻尼,然后再加入滑动更能真实的模拟轴承实际的运转情况;根据牛顿第二定律建立了局部缺陷轴承动力学方程,利用四阶龙格库塔方法求解,得到轴承局部缺陷的动态响应。通过对比故障滚动轴承试验与模型模拟的结果,验证了所建模型的正确性。     

基于频响函数综合法的飞轮-轴承-壳体耦合系统扰动力特性研究

为获取飞轮-轴承-壳体耦合系统的动力学特性及工作时由不平衡质量激励传递给壳体的扰动力,采用三维实体单元建立旋转状态下系统的动力学模型,获得考虑陀螺效应、预应力时的模态特性。采用基于频响函数子结构综合方法建立飞轮-轴承-壳体耦合系统的动力学模型,获得不同转速工况下单位简谐力激励时的扰动力输出特性。研究表明,研究飞轮系统的动力学特性应考虑陀螺效应和预应力的影响。利用频响函数子结构综合法可获得飞轮在简谐力作用下的扰动力特性。扰动力特性包含飞轮的刚体模态、弹性体模态以及其与轴承组件、壳体相互作用的耦合模态。飞轮径向模态对飞轮的径向扰动力影响显著,飞轮以轴向变形为主的弹性模态对轴向扰动力影响显著。     

主轴系统结合面对主轴系统动力学特性的影响分析

数控机床主轴系统存在着主轴-轴承、主轴-刀柄、刀柄-刀具结合面,这些结合面的特性对主轴系统动力学有着显著的影响,而获得该影响规律对于主轴系统动态设计及动力学修改有着重要意义。本文以某立式加工中心主轴系统为对象,采用有限元法对其进行了动力学建模,在此基础上,对比分析了结合面特性对该主轴系统固有特性和刀尖点频响函数的影响规律。具体可以描述为：主轴-轴承结合面特性影响主轴系统的刚体模态和刀尖点低频段的频响函数;而主轴-刀柄结合面、刀柄-刀具结合面特性直接影响主轴系统的弹性模态和刀尖点高频段频响函数。此外,本文研究也可为主轴系统动力学特性及稳定性预估提供参考。     

高速电主轴多场耦合动力学特性研究

建立了一种新型的高速电主轴多场耦合动力学模型,讨论了轴承模型、热态模型、芯轴动力学模型和电机电磁模型之间的耦合关系,提出热膨胀、轴承内圈离心膨胀、轴承内外圈接触膨胀、电磁不平衡拉力载荷和离心力载荷5种耦合因素,并且设计出多场耦合动力学模型的计算流程,分析耦合因素对高速电主轴系统运行状态的影响。以2ZDG60型高速电主轴为研究对象,计算结果表明：考虑耦合因素与不考虑耦合因素相比较,轴承动态支承刚度、轴承损耗功率以及芯轴动力学行为差别较大;实验结果表明：考虑耦合因素时的高速电主轴温升分布和芯轴固有特性与实验结果的吻合度较高。     

滚动轴承内外圈损伤对双盘转子响应特性影响分析

针对滚动轴承支承下的双盘转子系统,考虑由于滚动轴承刚度变化而产生的变柔性(Varying Compliance,VC)振动,利用Lagrange方程建立了双盘转子-轴承系统动力学模型。在此基础上,考虑滚动轴承外圈、内圈局域损伤的典型故障,运用数值积分法,分别研究了系统轴承外圈、内圈局域损伤对系统动力学特性的影响。结果表明:轴承内外圈损伤会对双盘转子系统的动力学特性产生较大的影响,特别是在低转速阶段,轴承内外滚道出现损伤故障都会使其振动信号增大,且随着损伤的宽度越大,振动信号增大得越明显;外滚道的损伤会对轴承游隙的非线性因素产生干扰,而内滚道的损伤则会增强这一因素的作用。     

不同支撑和转子装配方式的高速电机临界转速分析

用有限元方法研究了滚动轴承支撑的整体式转子和电磁轴承支撑的焊接式转子这两种高速电机轴承-转子系统的临界转速。在分析两种系统的支撑刚度特性及转子结构装配关系的基础上建立了有限元模型,计算出系统的临界转速并对不同支撑和装配方式对轴承-转子系统临界转速的影响进行了讨论,最后通过锤击实验和整机实验全面验证结果的有效性,为高速电机轴系设计和动力学分析提供了参考。*     

高速电主轴铣削稳定性研究

建立了高速电主轴轴承-转子动力学模型,并分析高转速与铣刀刀尖点处传递函数的关系,以此为基础建立高速电主轴铣削稳定性模型。以D62D24A型高速电主轴为例,针对转速对轴承动态支承刚度的"弱化"作用,计算系统第一阶径向振动固有振型,理论分析并经实验验证系统第一阶径向振动固有频率的变化趋势,并解析转速影响下的系统铣削稳定瓣图,实验验证了高转速下系统铣削稳定性能的变化趋势。     

带碰摩耦合故障的转子-滚动轴承-机匣耦合动力学模型

建立了含转子不平衡-松动-碰摩耦合故障的转子-滚动轴承-机匣耦合动力学模型.在模型中,充分考虑了转子系统的不平衡、基础松动及转静碰摩故障的耦合;对滚动轴承模型,充分考虑了轴承间隙、轴承滚珠与滚道的非线性赫兹接触力以及由轴承支撑刚度变化而产生的VC（varying compliance）振动.运用数值积分方法获取了系统响应,并利用振幅-转速曲线图、分叉图、相平面图、频谱图、Poincaré截面图和轴心轨迹图研究了系统的分叉与混沌运动,分析了旋转速度、碰摩刚度、转子偏心量、轴承座质量、轴承座与机匣间的连接刚度以及机匣与基础间的连接刚度对系统响应的影响,得到了在不平衡-松动-碰摩故障耦合下的转子-滚动轴承-机匣耦合系统动力响应规律.     

卫星控制力矩陀螺微振动抑制装置的动力学建模与实验研究

为了隔离卫星主要振源控制力矩陀螺的微振动,给航天器有效载荷提供超静工作环境,基于松弛型阻尼器,设计了控制力矩陀螺六自由度微振动抑制装置,完成了隔振平台的动力学建模和实验研究。使用牛顿-欧拉法建立了微振动抑制装置的动力学模型,分析了微振动抑制装置在基础激励下的频域特性和隔振系统的耦合特性;搭建了微振动抑制装置实验平台,并且进行了垂向隔振实验,给出了激励幅值对隔振系统隔振性能影响的实验研究。结果表明,实验和理论结果吻合,采取的松弛型阻尼器,能够使隔振系统在共振频率附近放大不超过10 dB,并在控制力矩陀螺主频振动处减振效果超过30 dB,微振动抑制装置可以有效隔离控制力矩陀螺在轨运行期间产生的微振动。     

电磁轴承失效后转子在坠落过程中的动力学特性

用有限元法建立了由滚动轴承组成的备用轴承-电磁轴承-转子系统在电磁轴承失效前后的动力学方程,分析了电磁轴承失效后转子在坠落过程中的动力特性,讨论了备用轴承的支撑阻尼对转子在坠落过程中动力特性的影响.     

拉杆转子-轴承-密封系统接触刚度矩阵建立及动力学特性分析

周向拉杆转子结构在燃气轮机中非常常见,而转子结构中普遍存在的拉杆及接触层对转子?轴承?密封系统的动力学特性具有非常重要的影响。在本研究中,建立了周向分布拉杆的力学模型和表征轮盘之间接触效应的非线性接触刚度矩阵,该接触刚度矩阵由七个刚度系数组成,这七个刚度系数可以综合表征接触层横向刚度,剪切刚度,弯曲刚度,扭转刚度,并且该矩阵能够考虑转子变形对于刚度系数的影响。结合基于短轴承理论并且经过试验验证的非线性油膜力模型和 Muszynska 密封力模型建立了周向拉杆转子?轴承?密封系统的动力学模型。采用了 New?mark?β 法对动力学方程进行了求解,并采用三维频谱图分析了预紧力大小和预紧力不均对周向拉杆转子?轴承?密封系统的非线性动力学特性的影响规律。结果表明,接触刚度以及故障拉杆的相对位置对拉杆转子?轴承?密封系统的稳定性及频率成分影响明显。