水下推进电机的自适应降阶热模型

为了提升水下推进电机的综合性能,提出自适应降阶模型来分析电机的动态多模态热场域性能特性,解决现有算法在处理高维复杂问题时资源耗费大和易陷入局部最优的问题。在时域中模型采用“无方程”的非侵入式动态模态分解方法,从时间序列数据中提取主要动态模态,实现系统数据的降维和模态分解,精确描述系统行为和预测未来状态;在空间域中,结合基于改善期望的自适应策略和径向基函数进行参数化近似和降阶。通过评估设计空间中各候选点的预测不可信度,迭代提升模型质量,平衡空间全局探索与局部探究间的关系。多步骤协作建模框架能够从有限的大规模模拟数据集中进行精确的场域解预测。通过实验系统验证了模型在常规和异常状态下温度变化规律的有效性和可靠性,结果表现出高准确性和稳定性。

高速电主轴热特性建模与冷却系统参数优化方法研究

电主轴热变形是影响加工精度的主要因素之一,而热变形主要由电主轴温升引起,其中冷却系统是影响电主轴温升的关键因素。为了优化冷却系统关键技术参数,以某型号高速电主轴为例,建立了考虑主轴不同旋转面换热系数的热特性模型,提高了温度场和热误差的仿真精度,并进行了主轴不同转速的温升与热误差实验,验证了仿真模型的正确性;基于所建立的电主轴热特性仿真模型,利用正交试验法进行了冷却系统参数优化,冷却参数优化后的仿真实验结果表明,电主轴最高温度降低了2.0℃,热变形减小了25.76μm,为电主轴冷却系统优化提供了理论参考。

高速电主轴冷却润滑技术综述

高速电主轴因散热效率而产生的温升是导致热变形问题的重要因素,热变形是影响加工精度的主要因素之一,因此对其冷却润滑系统进行研究至关重要。为了讨论近年来高速电主轴冷却润滑技术的研究进展,以高速电主轴为对象,围绕其内部生热及传热机制等方面进行了热特性分析。结合国内外学者对电主轴冷却润滑技术的研究,分别从电机和轴承方面阐述了不同冷却方式在高速电主轴冷却润滑技术的方法、原理、优缺点及应用。同时分析了研究中存在的主要问题,并对今后的研究作出展望。

高速电主轴角接触球轴承热-力耦合特性研究

在高速电主轴转子系统中,角接触球轴承的工作特性受温升的影响显著,极易产生胶合。为了得到更加精确的角接触球轴承瞬态温度场,建立了考虑自旋的角接触球轴承生热及传热模型,并利用MATLAB软件得到了轴承的生热量,随后建立了轴承的三维参数化模型,并基于显示动力学理论在LS-DYNA平台上进行了热-力耦合有限元仿真分析,且对影响轴承瞬态温度场的主要因素进行了研究。研究结果表明:转速与温升呈非线性正相关;高转速下轴承温升对预紧力更加敏感;生热量随预紧力的增加逐渐增大,当施加的预紧力大于最小预紧力时,温升随预紧力增加而变大。研究可为高速电主轴轴承的设计和稳定性分析提供理论参考。

高速电主轴热态特性的ANSYS仿真分析

分析高速电主轴的发热和散热特性,建立高速电主轴热态分析有限元模型.运用ANSYS有限元软件,分析热稳定状态下电主轴的温度场分布以及冷却润滑系统对电主轴温升的影响.分析结果表明,提高电主轴现有冷却润滑系统的冷却效率可有效控制轴承的温升,但对转子轴的温升影响很小,要有效控制转子轴的温升和提高电主轴的精度和寿命,必须研究转子轴的冷却途径和方法.同时,仿真分析转速对电主轴温升的影响,揭示电主轴温度场分布的非线性特征,为电主轴温升的在线监测和控制提供理论依据.

无速度传感器矢量控制下高速电主轴动态性能分析

为了研究高速电主轴的控制精度与主轴机械参数之间的动态关系,根据法拉第电磁感应定律建立高速电主轴的动态数学模型,并利用无速度传感器矢量控制逆变调速原理,将该模型的定子电流分解为励磁电流和转矩电流两个分量,组成两个独立的一阶线性子系统——磁链子系统和转矩子系统,实现励磁磁链和电磁转矩对各自参考值的全局渐进跟踪。试验结果表明,在无速度传感器矢量控制下,高速电主轴的励磁磁链受励磁电流的控制,且不受主轴负载和转速高低的影响,始终保持恒定;转矩电流控制高速电主轴的电磁转矩,与负载呈线性关系。有效控制励磁电流和转矩电流两个独立变量,不仅可以保证高速电主轴在负载状态下转差率小、转矩输出稳定性高的特点,而且当高速电主轴受到瞬间外力冲击时,其快速的转矩响应能力、动态速度跟随精度和抗挠动性等动态特性参数都可以通过控制励磁电流和转矩电流的精度实现。

滚动轴承电主轴系统动力学研究综述

综述了滚动轴承电主轴系统动力学建模中轴承建模、主轴-轴承系统建模、电主轴热特性建模和主轴机电耦合传动特性建模的技术现状,评述了电主轴动力学仿真的传递矩阵法、有限元法和软件开发的进展,结合工程实际具体分析了轴承预紧、轴承材料、电主轴发热及主轴机械参数对电主轴动态特性的影响规律,最后展望了滚动轴承电主轴系统动力学研究的未来发展趋势。

基于轴承运行刚度分析的超高速磨削电主轴动态特性

高速电主轴正朝着高速重载与超高速轻载的方向发展,其动态特性研究是电主轴开发的关键技术之一。主轴超高速运行时轴承刚度的确定是整个研究过程的难点所在。基于滚动轴承的拟静力学模型,计算轴承的动态刚度,并考虑转速、初始预紧力、热预紧力及油膜厚度对轴承刚度的影响,确定出轴承的运行刚度。再以轴承运行刚度作为主轴支撑刚度,建立面向高速电主轴动态性能分析的参数化有限元模型,对主轴动态特性进行分析。分析结果表明,初始预紧力、砂轮悬伸长度、前后轴承跨距、前轴承对间距及电机转子内径等参数是影响磨削电主轴动态特性的关键因素。

高速电主轴轴向振动研究

针对高速电主轴轴向振动直接影响立式加工件品质高低问题,用有限元法建立高速电主轴转子-轴承动力学模型,分析系统固有特性。轴向一阶固有振型为转子刚体振动振形,固有频率远低于一阶径向振动,理论计算固有频率结果与实验结果误差较小;据线性二次型最优控制理论对高速电主轴轴向振动的主动抑制进行理论分析,设计输出反馈控制系统,建立闭环动力学模型。实例计算结果表明,闭环系统能有效抑制高速电主轴轴向振动。

U/f控制下高速电主轴的低频电压补偿与负载特性分析

主轴磁通作为高速电主轴机电能量转换的唯一媒介,在高速电主轴的运行过程中,磁通的大小和稳定性将决定主轴的转矩输出能力和转速差的大小,是高速电主轴设计与控制的重要参数。因此为了保证高速电主轴运行时主轴的磁通恒定不变,从高速电主轴的稳态性能出发,根据高速电主轴电路等效的基本思想和变频调速原理,论述主轴在U/f控制下低频运行时磁通减弱的原因,并推导出确保磁通恒定的电压补偿公式。在此基础上,通过转差频率将电磁转矩与主轴的转速差联系起来,导出转速差与电磁转矩、定子电流之间的关系式,作为主轴频率变化时磁通是否恒定的依据。结果表明,在U/f控制下,按电压补偿公式进行电压补偿后,主轴的转矩输出能力不受频率变化的影响;通过空载电流对磁通的稳定性判断与理论分析相符;主轴转速对径向圆跳动量的影响直接反映了主轴运行过程中磁通的脉动程度、转矩的控制精度以及主轴的动平衡特性。

高频电主轴临界转速计算及其影响参数分析

基于传递矩阵对高频磨削电主轴进行临界转速特性计算,分析预加负荷及砂轮组件的参数变化对临界转速的影响,为电主轴动态性能的设计提供依据。

HMC80卧式加工中心电主轴热态特性分析

分析了高速电主轴的两个热源,轴承发热和电机的发热,并计算了轴承和电机的发热量。分析了高速电主轴的散热特性,并对电主轴各部分散热系数进行了计算。以HMC80卧式加工中心电主轴为例,运用ANSYS有限元软件建立了电主轴的稳态热分析模型,以散热系数为边界条件,轴承和电机的发热量为热载荷进行有限元分析,得出该电主轴在热稳定状态下的温度场分布。分析结果表明,主轴前后轴承的温升符合该电主轴的温升标准,说明了该电主轴设计的合理性,最后提出了改善该电主轴热态特性的措施。

计及套圈变形的电主轴角接触球轴承动刚度分析

针对高速电主轴结构特点,应用弹性力学和滚动轴承动力学理论,建立考虑内圈弯曲变形影响的角接触球轴承动刚度分析模型,探讨不同工况下内圈的径向挠度及其对轴承动刚度的影响,最后在12MD60Y6型号电主轴上进行轴承动刚度测试。理论和实验结果表明,内圈径向挠度和轴承的轴向载荷成正比、与转速成反比,在重载条件下其值不容忽视。考虑内圈径向挠度的轴承动刚度计算结果更接近实验结果。

基于传递矩阵法的电主轴动力学特性分析

研究了电主轴主要的结构参数对电主轴动力学特性的影响。运用传递矩阵法,考虑了陀螺力矩、剪切、变截面等影响因素,建立了电主轴"转子—轴承"系统的多圆盘转子动力学模型,编程并计算了电主轴的前三阶临界转速、振型等动力学特性参数,分析了电主轴轴承轴向预紧力、支承跨距及前、后端悬伸量的变化对电主轴"转子—轴承"系统临界转速的影响和变化规律。结果表明:支承跨距和悬伸量在一定范围内对临界转速有显著的影响,通过研究为电主轴的结构设计和性能优化提供依据和指导。

高速气浮电主轴转子系统不平衡响应分析

针对高速气浮电主轴转速高,动力学行为复杂,对不平衡激励敏感的特点,基于推广的拉格朗日方程,建立了高速电主轴转子气体轴承系统的动力学数学模型,获得了自由振动微分方程与强迫振动微分方程。在分析气浮电主轴系统残余不平衡质量产生的惯性离心力及不平衡磁拉力的作用机理的基础上,利用有限元方法,对某最高工作转速为250 000 r/min的高速气浮电主轴转子系统进行了不平衡激励的谐响应分析,揭示了运行于超临界模式的高速气浮电主轴在不平衡激励下的动力学行为,为实际工程应用中的高速气浮电主轴转子系统的优化设计、振动控制等提供了理论依据。

偏心电主轴动力学分析

为了揭示偏心状态下高速电主轴的动力学行为,从高速电主轴的结构特征出发,应用有限元法对其进行动力学分析,建立了高速电主轴动力学分析模型;基于电磁学和机械系统动力学基本理论,建立了各种偏心状态下高速电主轴的广义不平衡力表达式,根据所建动力学模型可以获得高速电主轴在不同预加载荷、轴承配置下的固有频率和不平衡响应等动态特性。将120MD60Y6型电主轴的机电结构参数代入模型,并利用Matlab/Simulink软件进行仿真分析,计算所得的数据与实验所测数据相符,从而证明所建模型是正确的。

高速主轴系统静止及运转状态下动力学特性对比分析

在静止和运转状态下,高速主轴系统动力学特性会有一定程度的差异,因此,用静止状态刀尖点频响函数预测主轴系统切削加工过程中的稳定性,有时会引起较大的误差。基于此,在详细介绍高速主轴系统在运转状态下有限元建模及分析方法的基础上,以某高速主轴系统为研究对象,采用有限元法对比分析了该主轴系统静止状态、低速运转状态、高速运转状态时的固有特性和刀尖点频响函数的差异。结果表明,在低速运转状态下,该主轴系统的动力学特性同静止状态下基本相同;而在高速运转条件下,其动力学特性与静止状态下差异较大。为科学地分析同类主轴系统动力学特性和切削稳定性提供参考依据。

主轴—刀柄结合面刚度建模方法

为建立高速旋转状态下的主轴—刀柄结合面刚度模型,提出了经典弹性理论和吉村允孝积分法相结合的半解析方法,求解在高速旋转状态下的主轴—刀柄结合面刚度。采用文献[2]的实验数据验证了该方法的有效性。在此基础上建立了在高速旋转状态下的主轴—刀具耦合系统的动力学模型。采用基于Riccati变换的整体传递矩阵法,对主轴—刀具耦合系统的动态特性进行了分析。考察了主轴转速软化结合面刚度因素对系统动态特性的影响。通过对比说明,高速旋转产生的离心力对主轴—刀具耦合系统的动态特性有较大影响;所提的计算模型和方法可以实现高速旋转状态下的主轴—刀柄结合面刚度的求解。

高速电主轴功率流模型与热态特性研究

根据能量守恒定律建立了高速电主轴功率流模型,研究了电动机电磁损耗、轴承摩擦损耗和风阻损耗之间的关系,并且通过实验测量2ZDG60型高速电主轴运行过程中的电磁损耗参数,对此模型进行验证,其理论计算结果与实验结果吻合度较高。在此基础上,对2ZDG60型高速电主轴进行了热态有限元仿真,分析其不同转速下的温升分布,其中在集中产热区域轴承和电动机处温升较高,测量前轴承外圈以及壳体前部、中部、后部的温升情况,实验数据与仿真数据相比误差较小,进一步验证了高速电主轴功率流模型的准确性。

耦合电压对高速电主轴动态性能的影响

针对高速电主轴动态模型中耦合电压的非线性变化对主轴动态性能所产生的影响,通过对比前馈控制和内模控制(Internal model control,IMC)的电压解耦机理,指出IMC能够避免前馈控制时电压解耦效果依赖主轴模型参数与实际参数相匹配的不足,并利用170MD15Y20油雾润滑型电主轴和Matlab/Simulink软件分别对两种控制方法进行试验和仿真分析。结果表明,主轴的耦合电压主要受频率和转矩电流变化的影响,改变磁链子系统和转矩子系统的给定电压、以及耦合回路中无功功率在输入功率中的比例,不仅可以对主轴的功率因素、输出转矩、抗扰动能力和动态速度跟随精度等特性参数产生影响,而且使主轴的转矩脉动程度、带负载能力和转差率等随耦合电压的大小成反比例变化。因此可以根据包含上述特征信息的机械特性曲线、功率因素曲线和恒转矩曲线的变化趋势,准确判断高速电主轴的解耦效果,并预测主轴在该控制方式下的动态性能。