【摘要】：隨著先進(jìn)制造技術(shù)的發(fā)展,高速電主軸和滑動(dòng)軸承在高檔數(shù)控機(jī)床中得到了廣泛地應(yīng)用�；瑒�(dòng)軸承油膜特性系數(shù)、電主軸系統(tǒng)不平衡量等動(dòng)力學(xué)關(guān)鍵特性參數(shù)與電主軸系統(tǒng)響應(yīng)之間存在著非常復(fù)雜的關(guān)系,直接影響著機(jī)床的加工精度。然而由于加工條件和測(cè)試環(huán)境等一些復(fù)雜因素的影響,通常很難直接獲取滑動(dòng)軸承油膜特性系數(shù)和電主軸系統(tǒng)不平衡量。本文主要圍繞高速電主軸滑動(dòng)軸承—轉(zhuǎn)子系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)關(guān)鍵特性參數(shù)滑動(dòng)軸承油膜特性系數(shù)和不平衡量的參數(shù)識(shí)別展開研究。首先建立滑動(dòng)軸承油膜特性系數(shù)、不平衡量和電主軸系統(tǒng)響應(yīng)的高精度、高效率正問題模型,獲得滑動(dòng)軸承油膜特性系數(shù)、不平衡量與電主軸系統(tǒng)不平衡響應(yīng)、瞬態(tài)響應(yīng)等動(dòng)力特性的映射關(guān)系;然后針對(duì)反問題的不適定性和滑動(dòng)軸承油膜特性系數(shù)的不確定性,在滑動(dòng)軸承油膜特性系數(shù)和不平衡量的參數(shù)識(shí)別方面進(jìn)行系統(tǒng)地研究。本文在大量文獻(xiàn)研究的基礎(chǔ)上,開展并完成的主要工作如下:1)針對(duì)建立電主軸系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型時(shí)要考慮電機(jī)轉(zhuǎn)子的自重和電磁轉(zhuǎn)矩的問題,提出改進(jìn)Riccati傳遞矩陣法,建立滑動(dòng)軸承油膜特性系數(shù)和轉(zhuǎn)子不平衡量參數(shù)識(shí)別中的流固耦合動(dòng)力學(xué)模型。引入電機(jī)的自重和電磁轉(zhuǎn)矩,擴(kuò)大狀態(tài)向量維數(shù)為10維,獲得計(jì)算電主軸系統(tǒng)的復(fù)頻率和不平衡響應(yīng)的位移傳遞矩陣模型。為克服位移傳遞矩陣法數(shù)值的不穩(wěn)定,結(jié)合Newmark加速度法改進(jìn)位移傳遞矩陣,獲得用于電主軸系統(tǒng)瞬態(tài)響應(yīng)分析的加速度傳遞矩陣模型。2)針對(duì)傳統(tǒng)軸承轉(zhuǎn)子系統(tǒng)動(dòng)力特性分析方法的耗時(shí)性、不穩(wěn)定性,提出了高效高精度的電主軸系統(tǒng)不平衡響應(yīng)和瞬態(tài)響應(yīng)分析方法。首先用有限變分法研究彈性轉(zhuǎn)子滑動(dòng)軸承層流和紊流下滑動(dòng)軸承油膜特性,將滑動(dòng)軸承油膜力與油膜特性系數(shù)聯(lián)合起來一并求解,避免了有限差分法時(shí)多次迭代的時(shí)效問題,大大提高了計(jì)算效率。再針對(duì)實(shí)際工程中只關(guān)注系統(tǒng)共振區(qū)域中臨界轉(zhuǎn)速的現(xiàn)象,采用幅角原理判定這一共振區(qū)域中特征多項(xiàng)式根的個(gè)數(shù),采用雙種群進(jìn)化策略對(duì)電主軸系統(tǒng)特征多項(xiàng)式的根進(jìn)行求解,避免了傳統(tǒng)的拋物線法對(duì)初值選取的敏感,可以快速地求得電主軸系統(tǒng)的復(fù)頻率,且可避免漏根現(xiàn)象。然后通過改進(jìn)的電主軸系統(tǒng)不平衡響應(yīng)Riccati法獲得各截面的不平衡響應(yīng)。同時(shí),針對(duì)電主軸系統(tǒng)瞬態(tài)響應(yīng)分析中滑動(dòng)軸承點(diǎn)傳遞矩陣建立困難的問題,提出了一種Riccati-Newmark加速度傳遞矩陣法。借Newmark加速度法建立傳遞矩陣,采用Taylor級(jí)數(shù)預(yù)估滑動(dòng)軸承軸心下一時(shí)刻的位移和速度,結(jié)合滑動(dòng)軸承油膜特性系數(shù)動(dòng)態(tài)分析方法建立滑動(dòng)軸承點(diǎn)傳遞矩陣。依據(jù)邊界條件用改進(jìn)的電主軸系統(tǒng)瞬態(tài)響應(yīng)Riccati法求解電主軸滑動(dòng)軸承—轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的瞬態(tài)響應(yīng)。3)針對(duì)高速重載下滑動(dòng)軸承油腔復(fù)雜,滑動(dòng)軸承油膜特性系數(shù)不便于直接獲取的難題,提出了一種高效的滑動(dòng)軸承油膜特性系數(shù)的參數(shù)識(shí)別方法。該方法將參數(shù)識(shí)別問題轉(zhuǎn)化為最優(yōu)化問題,通過最小化電主軸系統(tǒng)不平衡響應(yīng)的實(shí)驗(yàn)值和計(jì)算值的偏差來識(shí)別滑動(dòng)軸承油膜特性系數(shù),并采用隔代映射遺傳算法來尋優(yōu)。通過數(shù)值算例對(duì)這一方法的效率和精度進(jìn)行了驗(yàn)證。最后將其應(yīng)用于一轉(zhuǎn)子實(shí)驗(yàn)臺(tái),識(shí)別出轉(zhuǎn)子實(shí)驗(yàn)臺(tái)中兩滑動(dòng)軸承的16個(gè)油膜特性系數(shù)。4)針對(duì)傳統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)識(shí)別不平衡量需要多次轉(zhuǎn)子啟停,成本大以及不平衡量和滑動(dòng)軸承油膜特性系數(shù)之間交互影響的問題,提出了電主軸系統(tǒng)不平衡量的識(shí)別方法。此方法將不平衡量的識(shí)別轉(zhuǎn)化為不平衡力的識(shí)別,將不平衡力在時(shí)域內(nèi)用一系列的脈沖函數(shù)來表示,利用電主軸系統(tǒng)的瞬態(tài)響應(yīng)分析方法來構(gòu)建正問題。結(jié)合正則化方法處理不平衡力識(shí)別中的病態(tài)問題,穩(wěn)定地識(shí)別電主軸系統(tǒng)不平衡量。然后考慮滑動(dòng)軸承油膜特性系數(shù)為不確定變量,發(fā)展了基于區(qū)間分析理論的不平衡量識(shí)別方法�；趨^(qū)間數(shù)學(xué)理論和一階泰勒級(jí)數(shù)展開式的區(qū)間法將具有不確定變量結(jié)構(gòu)的不平衡量識(shí)別方法轉(zhuǎn)化為兩類確定性變量的不平衡量識(shí)別問題。利用區(qū)間運(yùn)算方法實(shí)現(xiàn)具有滑動(dòng)軸承油膜特性系數(shù)不確定變量的電主軸系統(tǒng)的不平衡量上邊界和下邊界的確定。最后通過數(shù)值算例檢驗(yàn)了不平衡量識(shí)別方法的有效性和魯棒性。并應(yīng)用此方法識(shí)別一轉(zhuǎn)子實(shí)驗(yàn)臺(tái)的不平衡量進(jìn)行動(dòng)平衡。
【圖文】：

變化的過渡點(diǎn)。一個(gè)自然軸段有兩個(gè)自然結(jié)點(diǎn)。自然軸段左端的點(diǎn)叫左結(jié)點(diǎn)，自然軸段右端的點(diǎn)叫右結(jié)點(diǎn)。因此，當(dāng)一個(gè)轉(zhuǎn)子被劃分的自然軸段有s個(gè)時(shí)，這個(gè)轉(zhuǎn)子的自然結(jié)點(diǎn)就有s+1個(gè)，如圖2.2b)所示。然后將每個(gè)被劃分的自然軸段的質(zhì)量集總到選定的結(jié)點(diǎn)上。這些結(jié)點(diǎn)往往選在輪盤、聯(lián)軸器、軸承與葉輪的中央以及軸徑突然變化的地方。輪盤假定為剛性盤，取其重心作為盤的安裝面，其重心也取為分段點(diǎn)。集總后，相鄰兩個(gè)圓盤間的軸段被稱為主軸段。為了減少系統(tǒng)的自由度，一個(gè)主軸段內(nèi)可以含有多個(gè)軸徑不等的自然軸段。主軸段內(nèi)的自然軸段被認(rèn)為是沒有質(zhì)量只考慮彈性的理想自然軸段。將質(zhì)量連續(xù)分布的實(shí)際轉(zhuǎn)軸簡(jiǎn)化為一系列具有集中質(zhì)量的等厚剛性薄圓盤，各剛性圓盤之間用無質(zhì)量的彈性軸段連接。集總圓盤以結(jié)點(diǎn)表示，兩結(jié)點(diǎn)之間的無質(zhì)量軸段以場(chǎng)表示，如圖2.2c)所示。當(dāng)滑動(dòng)軸承油膜特性以線性理論處理時(shí)，滑動(dòng)軸承模型如圖2.2d)所示。油膜對(duì)軸頸起線性支撐作用。滑動(dòng)軸承油膜剛度和阻尼以矩陣的形式體現(xiàn)軸頸處于平衡位置時(shí)兩徑向方向的相互影響和交叉影響[127]，即系統(tǒng)處于平衡狀態(tài)時(shí)的軸承17

圖 2.3 電主軸滑動(dòng)軸承—轉(zhuǎn)子系統(tǒng)模塊化圖根據(jù)傳遞矩陣法的研究方法，考慮電主軸的自身特點(diǎn)，，建立電主軸滑動(dòng)軸承—轉(zhuǎn)子系統(tǒng)模塊化圖如圖2.3所示。沿軸線將電主軸系統(tǒng)離散為N個(gè)軸段，每一軸段的質(zhì)量按質(zhì)心不變的原則分配到軸段兩端的截面上。這樣便將質(zhì)量和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量集中到軸段左右兩端構(gòu)成剛性圓盤。軸段本身簡(jiǎn)化為無質(zhì)量的等截面彈性軸。集19
【學(xué)位授予單位】：湖南大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號(hào)】：TG502.3

【參考文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前1條

1 姚大坤,黃文虎,鄒經(jīng)湘;滑動(dòng)軸承油膜剛度參數(shù)的識(shí)別[J];動(dòng)力工程;2005年04期

本文編號(hào)：2539819