高速主軸系統多參數動力學建模與故障演化機理研究

《高速主軸系統多參數動力學建模與故障演化機理研究》是依託西安交通大學，由曹宏瑞擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：高速主軸系統多參數動力學建模與故障演化機理研究
• 項目類別：青年科學基金項目
• 項目負責人：曹宏瑞
• 依託單位：西安交通大學

項目摘要

航空、航天、能源、國防等領域高、精、尖複雜產品的加工對製造裝備的性能不斷提出新的挑戰，製造裝備動態行為仿真、早期故障診斷已成為保證加工精度的關鍵。本項目聚焦於高檔數控工具機的核心功能部件- - 高速主軸系統，研究結合面、轉速、工作溫升及外部載荷等參數對高速主軸系統動態特性的影響規律，解決結合面非線性剛度與阻尼參數的辨識問題，建立高速主軸系統多參數動力學模型；改進Jones滾動軸承模型，建立高速滾動軸承力-熱耦合非線性模型，揭示軸承損傷的萌生與演化機理，彌補傳統軸承故障模型未充分考慮損傷產生機理的不足；研究高速主軸系統早期故障與振動回響機理，建立故障與系統動態回響之間的映射、解耦及預示模型，為高速主軸系統信號處理與特徵提取提供依據；設計實驗，模擬高速主軸系統早期故障，結合動態信號測試對故障預示模型進行驗證與修正。.本項目將為高速主軸系統動態行為仿真、早期故障診斷、加工精度保持等提供新的理論與技術。

結題摘要

本項目聚焦於高速工具機主軸系統，研究了動力學建模、高速滾動軸承損傷機理和故障振動回響機理等三個主要內容。在動力學建模方面，提出了一個具有一般性的高速主軸轉子-軸承-軸承箱系統動力學建模方法，並進行實驗驗證。將主軸與工具機進行耦合，提出了一種高速主軸-工具機系統耦合建模及模型修正方法。在高速滾動軸承損傷機理方面，建立了一種高速滾動軸承力-熱耦合模型，分析旋轉內圈離心膨脹和熱膨脹變形對軸承動態特性的影響。建立了滾動軸承6自由度損傷動力學模型，定量仿真不同損傷類型、損傷程度時的振動回響規律，為滾動軸承故障高效診斷及智慧型預示提供依據。建立了滾動軸承滾動接觸疲勞的損傷-壽命耦合方程，分析外部載荷、預緊力以及轉速對疲勞損傷壽命的影響規律。在故障振動回響機理方面，利用數學模型描述滾動軸承元件表面早期損傷故障，定量研究衝擊力與工況之間的關係。提出了基於動力學模型的高速主軸銑削顫振故障預測新方法,提高了預測精度。建立了高速主軸早期故障激勵與系統動態回響之間的映射關係，定量仿真滾動軸承損傷、不平衡等故障激勵下高速主軸的振動回響，為感測器最佳化配置、故障診斷、主軸動平衡提供依據。 研究成果在ASME Transaction,　International Journal of Machine tools and　Manufacture等國際權威期刊共發表SCI論文7篇，EI論文13篇。獲得了國際會議優秀論文獎1項。研究成果得到美國北卡羅來納大學、ASME期刊副主編Schmitz教授，加拿大卡爾加里大學Park教授等人的引用和正面評價。授權發明專利2項，獲得軟體著作權1項，團隊成員1人獲得陝西省青年科技新星稱號，培養了2名博士生，3名碩士生，並進行了廣泛的國內外學術交流。