关键词：高速机械主轴;;结构设计;;动静态特性;;热态特性;;故障诊断
摘 要：主轴系统作为高速加工中最重要的组成部分,其性能直接影响高速加工的加工精度与效率。制约主轴系统性能的因素有主轴刚度以及主轴系统热态特性,主轴轴承和皮带轮处的热问题是主轴系统中必须考虑的问题。本文基于课题要求设计了一台双头高速机械主轴,对机械主轴的动力学问题和热问题进行了研究,并针对实际应用中主轴振动较大的问题提出一种新的方法用于诊断主轴轴承故障。本文主要研究内容包括:(1)根据课题要求设计了一台双头高速机械主轴,对电机、轴承等组成部件进行选型计算并对机械系统结构进行了运动学分析:利用Ansys Workbench软件对所设计的主轴进行静态特性分析得到其静刚度,利用Matlab软件计算主轴系统静刚度,对比仿真结果与Matlab计算结果,说明仿真结果的合理性,利用Matlab软件对主轴前端悬伸量和主轴轴承跨距进行优化设计,得到主轴前端悬伸量和主轴轴承跨距的最优解。利用Ansys Workbench软件对优化后的高速机械主轴单元进行动态特性分析,并验证其一阶临界转速高于主轴系统设计转速,主轴系统可以避开共振区域稳定工作。动静态仿真分析表明结构设计合理。(2)研究了高速机械主轴系统主轴轴承以及主轴皮带轮处的热特性,利用热网络法建立主轴轴承处的热传递方程,计算轴承外圈中心节点的温度,并将计算结果与利用Abaqus软件仿真分析结果对比,说明仿真分析的合理性。利用Abaqus软件分析不同转速和不同润滑脂粘度下主轴系统温升,得出主轴转速以及润滑脂粘度对主轴轴承温升的影响规律。仿真结果表明主轴系统轴承温升均低于国家标准。对主轴系统最高转速下的热变形进行有限元分析,热变形分析结果显示主轴最大变形量满足设计要求。(3)研究了不同故障诊断算法的优劣,提出H-DT-CWT算法对主轴系统轴承故障进行诊断。以凯斯西储大学轴承试验数据为例使用不同算法进行分析,验证H-DT-CWT算法的优越性。(4)搭建主轴系统测试试验平台,对不同转速下主轴系统温升进行测试,对比测试结果与有限元分析结果说明仿真分析的合理性且该主轴系统轴承以及皮带轮处温升在合理范围内,主轴系统满足设计要求;采集主轴振动信号,对主轴转速为1200r/min时的测试信号采用不同算法进行分析,进一步证明H-DT-CWT方法对主轴轴承故障信息识别的准确性。本文通过理论设计、仿真分析以及实验研究,设计了高速机械主轴系统,并分别对主轴动静态特性、轴承和皮带轮处热特性进行研究,完成了主轴系统优化设计;针对本文设计主轴在实际应用中振动过大问题提出H-DTCWT算法应用于轴承故障诊断,为高速主轴设计与应用提供了一定的指导。
内 容：原文可通过湖北省科技信息共享服务平台（http://www.hbstl.org.cn)获取