高速电主轴非接触电磁加载装置设计与实现

针对高速电主轴接触式加载存在的问题,设计了一套非接触电磁加载装置。该装置主要由高导磁加载盘、直流电磁铁、恒流源及测试部分组成。其中直径80mm、厚40mm的铁镍合金加载盘与直流气隙磁场相互作用,在加载盘上产生电磁力。利用该电磁力模拟主轴的切削力负载,可实现高速电主轴的非接触加载。使用所设计的装置对170MD18Y16型磨削电主轴进行加载试验,结果表明,加载值与设定值一致,所设计的装置能够满足高速电主轴加载的需要。当加载装置的气隙不变时,主轴转速、励磁电流是影响非接触电磁加载的主要因素。     

高速电主轴非接触加载动态电磁力分析与计算

高速电主轴可靠性实验中非接触电磁加载装置需按实际载荷控制径向电磁力。为实现径向加载的闭环控制,建立了高转速加载时的动态电磁场解析模型,该模型综合考虑了实心加载盘高速旋转时产生的涡流磁场及对磁极原磁场的影响。对磁场解析模型的分析、求解得到了径向加载电磁力的解析表达式。解析计算结果表明磁极原磁场及加载盘转速是影响径向加载电磁力的主要因素。为验证解析计算的有效性,采用有限元法(FEM)建立了动态电磁场的三维仿真模型,得到了较为精确的仿真计算结果。为进一步验证径向电磁力分析的准确性,实测了加载盘在不同转速下的径向电磁力,结果表明计算值与实测值较吻合,证明动态电磁力分析与计算方法正确,研究结果可建立径向加载的控制模型。     

高速电主轴电磁加载的切向力分析

非接触电磁加载实现了高速电主轴的动态加载。在动态加载过程中,由于实心加载盘的高速旋转,其内部产生的涡流以及集肤效应会对电磁铁产生的磁场造成影响,而且随着转速的提高,影响更加明显,会导致径向力逐渐减小,并且产生切向力。本文旨在研究电主轴在动态加载时切向力在不同条件下的变化关系,主要利用解析法与有限元法分析计算加载过程中的切向力,其计算结果较吻合。通过分析不同条件下的动态加载过程,发现切向力的变化具有一定规律,切向力会随着转速、电流以及气隙的变化而产生增加或减小的趋势,最终得出了切向力的加载特性规律。     

高速电主轴非接触加载装置的设计

高速电主轴作为数控加工中心等的核心单元,对其可靠性等性能的分析有着重要意义。根据动态电磁力场的原理提出设计了电主轴的非接触加载装置,并加以传感器系统来测量和分析电主轴的温升情况,并对加载力和加载机构进行了计算和设计,解决了传统加载方式存在的问题,提高了分析的可靠性。     

无速度传感器矢量控制下高速电主轴动态性能分析

为了研究高速电主轴的控制精度与主轴机械参数之间的动态关系,根据法拉第电磁感应定律建立高速电主轴的动态数学模型,并利用无速度传感器矢量控制逆变调速原理,将该模型的定子电流分解为励磁电流和转矩电流两个分量,组成两个独立的一阶线性子系统——磁链子系统和转矩子系统,实现励磁磁链和电磁转矩对各自参考值的全局渐进跟踪。试验结果表明,在无速度传感器矢量控制下,高速电主轴的励磁磁链受励磁电流的控制,且不受主轴负载和转速高低的影响,始终保持恒定;转矩电流控制高速电主轴的电磁转矩,与负载呈线性关系。有效控制励磁电流和转矩电流两个独立变量,不仅可以保证高速电主轴在负载状态下转差率小、转矩输出稳定性高的特点,而且当高速电主轴受到瞬间外力冲击时,其快速的转矩响应能力、动态速度跟随精度和抗挠动性等动态特性参数都可以通过控制励磁电流和转矩电流的精度实现。     

基于高压水射流的高速电主轴柔性加载系统研究

高速电主轴的动态加载是测试其动态性能、寿命和可靠性等的关键环节.然而,高速电主轴的结构特征和极高的转速,使得其难以实现动态加载.基于高压水射流技术的高速电主轴柔性加载系统首次被设计、制造并测试,描述了该加载系统的原理、结构和组成.利用连续动量方程推导了射流冲击力模型.通过射流冲击力标定试验和射流流体有限元仿真,得到了加载力与靶距、射流压强、流量、喷嘴直径、标靶直径、转速之间的关系,实现了高速电主轴径向力和轴向力的定量加载.此外,利用该加载系统测试了径/轴向力对高速电主轴动态性能的影响,试验结果表明:①高压水射流技术可以为高速电主轴提供稳定的、长时的动态加载;②高速电主轴的温升、功率损耗和振动会随着径/轴向负载力显著增大,空载测试不能揭示高速电主轴的真实动态性能.为解决高速电主轴动态加载的难题提供了一种全新的试验方法.     

高速电主轴动态性能试验

设计了一款集成多种检测功能的高速电主轴试验样机,其内置的温度传感器可测量轴承和定子的温升,编码器可测量转速并实现闭环控制,电涡流传感器可测量转子的三维振动特性和热膨胀量,并可根据实际工况在线调节轴承预紧力。另外,搭建了一套通用性较强的高速电主轴动态性能综合测试系统,基于磁流变液剪切原理和高压水射流冲击原理分别解决了高速电主轴动态扭矩和径/轴向力加载难题,可全面地测量高速电主轴的温升特性、回转特性、输出特性、电磁特性和动态支承刚度,并通过试验验证了磁流变液动态扭矩加载系统、高压水射流径/轴向力加载系统、动态支承刚度测试系统、机械摩擦损耗测量方法和预紧力在线调节装置的有效性。     

高速电主轴加载试验的研究

针对电主轴转速高进行加载试验难以实现的情况,提出应用对拖式方法对其进行加载.详细描述对拖式加载方法的系统构成和加载原理,该系统不但可以完成对电主轴的加载,还可以测出加载过程中电主轴的基本参数,并绘制相应的特性曲线,使电主轴在不同工作点的状态一目了然.应用该系统对15 000 r/min的电主轴进行加载试验,通过对测得数据的处理和分析,验证对拖式加载系统的正确性和可行性,为高速电主轴动态性能的研究提供一种新的方法.     

高速主轴非接触气膜加载刚度测试台的研制

针对主轴高速旋转情况下静刚度测试难以实现的难题,研发了一种非接触气膜加载装置。该装置由气膜加载器和5自由度调节机构组成,通过在气膜加载器与被测主轴间形成静压气膜的方法,实现了对被测主轴的非接触加载。与电磁加载方式相比,该装置对被测主轴的转速和运转时间没有限制,可在静止、高速及超高速下对主轴施加径向和轴向载荷,从而实现对旋转状态下的径向及轴向刚度的测试。此外,它还具有结构简单和加载力大小调节方便的特点。详细描述了该加载装置的加载原理和构成。同时对几种不同电主轴进行了实际加载实验,得到了旋转状态下的静态刚度与回转速度之间的关系。     

水润滑轴承加载装置动态磁热耦合机理研究

针对水润滑轴承动态试验研究中电磁加载装置发热以及电磁力不稳定等现象,为了给轴承研究提供准确载荷,对电磁加载装置动态下的磁热耦合机理进行研究。首先建立了电磁加载装置能量损耗数学模型,对能量损耗进行理论分析;其次,构建了电磁加载装置物理模型,进行磁热耦合仿真分析,得到了磁感应强度、铜损耗以及铁损耗的变化规律;最后,进行电磁加载装置能量损耗试验。研究结果表明：动态下电磁力不稳定的主要原因是加载装置存在能量损耗,且以铜损耗与铁损耗为主;能量损耗与轴转速、加载装置激励电流以及初始温度有关,在激励电流1～3 A、转速0～1 800 r/min以及温度22～50℃工况下,电磁力试验值与仿真值最大误差为4.7%。     

Non-contact electromagnetic exciter design with linear control method

A non-contact type force actuator is necessary for studying the dynamic performance of a high-speed spindle system owing to its high-speed operating conditions. A non-contact electromagnetic exciter is designed for identifying the dynamic coefficients of journal bearings in high-speed grinding spindles. A linear force control method is developed based on PID controller. The influence of amplitude and frequency of current, misalignment and rotational speed on magnetic field and excitation force is investigated based on two-dimensional finite element analysis. The electromagnetic excitation force is measured with the auxiliary coils and calibrated by load cells. The design is validated by the experimental results. Theoretical and experimental investigations show that the proposed design can accurately generate linear excitation force with sufficiently large amplitude and higher signal to noise ratio. Moreover, the fluctuations in force amplitude are reduced to a greater extent with the designed linear control method even when the air gap changes due to the rotor vibration at high-speed conditions. Besides, it is possible to apply various types of excitations: constant, synchronous, and non-synchronous excitation forces based on the proposed linear control method. This exciter can be used as linear-force exciting and controlling system for dynamic performance study of different high-speed rotor-bearing systems.     

电磁脉冲撞击加载装置的研制及其应用

利用脉冲大电流作用耳的电磁感应和能量转换原理,研制出电磁脉冲撞击加载装置,对冲击大小和冲击速度进行测试和标定。实验表明,该装置使用方便,操作简单,可以施加不同方向的载荷;冲击力大小可调、冲击速度稳定,载荷稳定。该装置已成功地应用在动态光弹性测量,并且得到了半无限板在冲击作用下的光弹性等差线。电磁脉冲撞击加载装置可以同多火花动态光弹仪或脉冲激光器联机使用,便于实验中全系统的自动化控制。电脉冲击撞击加     

CBN砂轮动平衡及电主轴振动测量

将普通外圆磨床改造为无靠模数控凸轮轴磨床，重新设计了磨床的砂轮架部件，并以电主轴取代原来的砂轮主轴，安装CBN砂轮并进行砂轮动平衡实验，通过测量安装CBN砂轮的电主轴低转速下的振动信号，并分析实验结果，验证了采用三点式动平衡法进行CBN砂轮低转速动平衡的可行性。还验证了采用VT动平衡仪进行CBN砂轮高转速下动平衡的有效性，并根据实验结果分析了砂轮动平衡的效果、砂轮架部件的刚性和电主轴安装砂轮后的精度。     

电磁超声电声转换效率的影响因素分析

电磁超声是一种非接触超声检测方法,因不需要耦合剂,在一些常规超声无法实施的特殊检测领域发挥着重要作用。但是,由于电磁超声电声转换效率低,制约着电磁超声的广泛应用。分析了几种参数对电磁超声电声转换效率的影响,包括探头的提离、激励信号的电流幅值、频率、周期个数和仪器的输出功率等几个因素。研究表明：随着探头提离的增大,电磁超声的信号几乎成指数衰减;通过优化激励信号的电流幅值、周期个数和激励频率以及在探头两端增加阻抗匹配单元,可以提高电磁超声的电声转换效率。     

非接触式电磁加载水润滑轴承监测系统

在水润滑轴承试验研究中,传统机械或液压等接触式加载方式存在振动、噪声、发热与摩擦磨损等问题,另外,监测系统特别是软件功能还不完善,影响轴系稳定运行与测试结果准确性。针对上述问题,设计了非接触式电磁加载装置（电磁加载力大小及角度均可调节）,并基于LabVIEW开发了水润滑轴承监测系统;应用该系统对水润滑橡胶轴承进行水膜压力测试试验,并将试验结果与仿真结果进行对比,结果表明,系统运行稳定,测试数据可靠,实用效果良好。     

机电系统在电磁力作用下的主共振分析

建立了三相交流电动机-弹性连杆机构系统的耦合动态方程,用多尺度法分析了该系统在电磁力作用下的主共振现象,得到了该系统的主共振特性与电磁力之间的内在联系。最后通过实验证明了理论分析结论与实验结果相符。