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高速电主轴动力学建模及振动特性研究

黄伟迪  
【摘要】:论文依托国家自然科学基金项目:《数控机床高速电主轴的不确定非参数动力学建模与动态预测》(11172260),对高速电主轴的动力学建模和振动特性开展了分析研究。论文结合了典型故障与不确定性,建立了高速电主轴动力学模型,研究了一种面向旋转机械的不确定非参数建模方法;在通过理论与数值方面研究高速电主轴振动的动态演化规律的同时,利用和发展非线性时间序列分析和相空间重构方法,将一维时间序列信号重构到高维相空间,进一步分析杂乱振动信号在重构后的高维相空间中的不同拓扑流形结构,对杂乱振动信号进行识别和分类,并开展了相应实验验证。论文的主要研究工作以及章节安排包括:第一章:分析了高速电主轴动力学建模方法及特性分析的研究意义与作用。综述了电主轴动力学建模方法、不确定非参数建模方法以及振动信号特征提取方法的研究现状,归纳出现有研究尚存问题,进而提出了本文的研究内容。第二章: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,分析角接触球轴承不同预紧力对电主轴临界转速的影响。第三章:分别建立了电主轴球轴承非光滑接触力、转子偏心导致的不平衡磁拉力和滚动轴承表面缺陷故障模型。基于电主轴有限元模型,通过计算不同转速、轴承游隙和初始偏心距下电主轴振动响应的分岔图和故障轴承的振动响应,详细分析了电主轴受球轴承Hertz接触力与不平衡磁拉力作用而产生的丰富动力学现象,并讨论了滚动轴承故障特征。第四章:建立了高速电主轴系统的随机不确定非参数模型,其中考虑了轴承接触力、不平衡磁拉力和外部有界噪声激励对电主轴振动特性的影响。基于蒙特·卡罗模拟方法,通过数值实例研究了模型不确定性和外部有界噪声激励对电主轴涡动频率和振动响应分岔等行为的影响。第五章:应用相空间重构技术将电主轴的一维振动信号重构到高维相空间中,通过比较重构后确定性系统和不确定性系统的相空间轨迹来识别振动信号中的不确定性的影响。针对滚动轴承故障,基于相空间重构技术提出了一种向量夹角的故障分类方法,通过数值模拟与实验验证,验证了该方法的有效性。第六章总结了本文研究的主要结论,并对今后的研究工作进行了展望。


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