【摘要】：隨著先進制造技術的發(fā)展,高速電主軸和滑動軸承在高檔數(shù)控機床中得到了廣泛地應用�；瑒虞S承油膜特性系數(shù)、電主軸系統(tǒng)不平衡量等動力學關鍵特性參數(shù)與電主軸系統(tǒng)響應之間存在著非常復雜的關系,直接影響著機床的加工精度。然而由于加工條件和測試環(huán)境等一些復雜因素的影響,通常很難直接獲取滑動軸承油膜特性系數(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軸承—轉(zhuǎn)子系統(tǒng)動力學關鍵特性參數(shù)滑動軸承油膜特性系數(shù)和不平衡量的參數(shù)識別展開研究。首先建立滑動軸承油膜特性系數(shù)、不平衡量和電主軸系統(tǒng)響應的高精度、高效率正問題模型,獲得滑動軸承油膜特性系數(shù)、不平衡量與電主軸系統(tǒng)不平衡響應、瞬態(tài)響應等動力特性的映射關系;然后針對反問題的不適定性和滑動軸承油膜特性系數(shù)的不確定性,在滑動軸承油膜特性系數(shù)和不平衡量的參數(shù)識別方面進行系統(tǒng)地研究。本文在大量文獻研究的基礎上,開展并完成的主要工作如下:1)針對建立電主軸系統(tǒng)動力學模型時要考慮電機轉(zhuǎn)子的自重和電磁轉(zhuǎn)矩的問題,提出改進Riccati傳遞矩陣法,建立滑動軸承油膜特性系數(shù)和轉(zhuǎn)子不平衡量參數(shù)識別中的流固耦合動力學模型。引入電機的自重和電磁轉(zhuǎn)矩,擴大狀態(tài)向量維數(shù)為10維,獲得計算電主軸系統(tǒng)的復頻率和不平衡響應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,結合Newmark加速度法改進位移傳遞矩陣,獲得用于電主軸系統(tǒng)瞬態(tài)響應分析的加速度傳遞矩陣模型。2)針對傳統(tǒng)軸承轉(zhuǎn)子系統(tǒng)動力特性分析方法的耗時性、不穩(wěn)定性,提出了高效高精度的電主軸系統(tǒng)不平衡響應和瞬態(tài)響應分析方法。首先用有限變分法研究彈性轉(zhuǎn)子滑動軸承層流和紊流下滑動軸承油膜特性,將滑動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多次迭代的時效問題,大大提高了計算效率。再針對實際工程中只關注系統(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)域中特征多項式根的個數(shù),采用雙種群進化策略對電主軸系統(tǒng)特征多項式的根進行求解,避免了傳統(tǒng)的拋物線法對初值選取的敏感,可以快速地求得電主軸系統(tǒng)的復頻率,且可避免漏根現(xiàn)象。然后通過改進的電主軸系統(tǒng)不平衡響應Riccati法獲得各截面的不平衡響應。同時,針對電主軸系統(tǒng)瞬態(tài)響應分析中滑動軸承點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級數(shù)預估滑動軸承軸心下一時刻的位移和速度,結合滑動軸承油膜特性系數(shù)動態(tài)分析方法建立滑動軸承點傳遞矩陣。依據(jù)邊界條件用改進的電主軸系統(tǒng)瞬態(tài)響應Riccati法求解電主軸滑動軸承—轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的瞬態(tài)響應。3)針對高速重載下滑動軸承油腔復雜,滑動軸承油膜特性系數(shù)不便于直接獲取的難題,提出了一種高效的滑動軸承油膜特性系數(shù)的參數(shù)識別方法。該方法將參數(shù)識別問題轉(zhuǎn)化為最優(yōu)化問題,通過最小化電主軸系統(tǒng)不平衡響應的實驗值和計算值的偏差來識別滑動軸承油膜特性系數(shù),并采用隔代映射遺傳算法來尋優(yōu)。通過數(shù)值算例對這一方法的效率和精度進行了驗證。最后將其應用于一轉(zhuǎn)子實驗臺,識別出轉(zhuǎn)子實驗臺中兩滑動軸承的16個油膜特性系數(shù)。4)針對傳統(tǒng)的現(xiàn)場識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)不平衡量的識別方法。此方法將不平衡量的識別轉(zhuǎn)化為不平衡力的識別,將不平衡力在時域內(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)響應分析方法來構建正問題。結合正則化方法處理不平衡力識別中的病態(tài)問題,穩(wěn)定地識別電主軸系統(tǒng)不平衡量。然后考慮滑動軸承油膜特性系數(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別方法�；趨^(qū)間數(shù)學理論和一階泰勒級數(shù)展開式的區(qū)間法將具有不確定變量結構的不平衡量識別方法轉(zhuǎn)化為兩類確定性變量的不平衡量識別問題。利用區(qū)間運算方法實現(xiàn)具有滑動軸承油膜特性系數(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)值算例檢驗了不平衡量識別方法的有效性和魯棒性。并應用此方法識別一轉(zhuǎn)子實驗臺的不平衡量進行動平衡。
【圖文】：

變化的過渡點。一個自然軸段有兩個自然結點。自然軸段左端的點叫左結點，自然軸段右端的點叫右結點。因此，當一個轉(zhuǎn)子被劃分的自然軸段有s個時，這個轉(zhuǎn)子的自然結點就有s+1個，如圖2.2b)所示。然后將每個被劃分的自然軸段的質(zhì)量集總到選定的結點上。這些結點往往選在輪盤、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。集總后，相鄰兩個圓盤間的軸段被稱為主軸段。為了減少系統(tǒng)的自由度，一個主軸段內(nèi)可以含有多個軸徑不等的自然軸段。主軸段內(nèi)的自然軸段被認為是沒有質(zhì)量只考慮彈性的理想自然軸段。將質(zhì)量連續(xù)分布的實際轉(zhuǎn)軸簡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。集總圓盤以結點表示，兩結點之間的無質(zhì)量軸段以場表示，如圖2.2c)所示。當滑動軸承油膜特性以線性理論處理時，滑動軸承模型如圖2.2d)所示。油膜對軸頸起線性支撐作用�；瑒虞S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)時的軸承17

圖 2.3 電主軸滑動軸承—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，，建立電主軸滑動軸承—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)動慣量集中到軸段左右兩端構成剛性圓盤。軸段本身簡化為無質(zhì)量的等截面彈性軸。集19
【學位授予單位】：湖南大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2015
【分類號】：TG502.3

【參考文獻】

相關期刊論文 前1條

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

本文編號：2539819