高速電主軸滑動軸承-轉(zhuǎn)子系統(tǒng)動力學關(guān)鍵特性參數(shù)識別.pdf

1、隨著先進制造技術(shù)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。滑動軸承油膜特性系數(shù)、電主軸系統(tǒng)不平衡量等動力學關(guān)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(guān)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(guān)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

2、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(guān)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Riccat

3、i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(jié)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)

4、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(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

5、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(jié)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

6、。
　　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)

7、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(gòu)建正問題。結(jié)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