高速电主轴非接触电磁加载及可靠性试验研究

摘要

为提高国产高速电主轴可靠性，开展了高速电主轴可靠性试验研究，其主要内容分为模拟加载、可靠性试验数据检测和处理、可靠性评估三部分。对于高速电主轴，机械接触式加载存在磨损、振动等难以解决的问题，不能用于需要长时问连续加载的可靠性试验。因此，高速电主轴模拟加载成为可靠性试验的瓶颈，制约了高速电主轴可靠性试验技术的发展。基于上述原因，本文提出非接触电磁加载方法，研究并设计了非接触电磁加载装置，对电磁加载性能进行了理论分析和仿真计算，在此基础上完成了高速磨削电主轴的可靠性试验。
　　提出非接触电磁加载方法和加载装置设计方案，应用电磁理论分析电磁加载原理，提出加载装置结构设计和磁路设计方法，分析非接触电磁加载关键技术。其中，加载盘和直流电磁铁设计是实现非接触电磁加载的关键。由于载荷加载时，径向加载电磁力侧重于加载盘导磁性能，切向加载电磁力侧重于加载盘导电性能。因此对比分析不同软磁材料电磁性能，完成加载盘材料选型，所选材料具有较好的导磁和导电综合性能。直流电磁铁应重点考虑铁心和磁极结构设计，所设计电磁铁能产生较强气隙磁场，而电磁损耗较低，可长时间运行。分析了加载装置其它部分设计参数及动态电磁加载主要影响因素，开发了非接触电磁加载试验台。
　　分析加载电磁场边界条件和边值问题，完成加载电磁场和电磁力的解析计算。应用有限元法对动态加载电磁场及电磁力进行仿真计算，验证电磁力解析计算方法的准确性，依据电磁力理论分析结果建立电磁加载装置数学模型。根据动态加载涡流损耗的计算，建立加载盘热路模型，完成加载盘温升分析，结果表明温升是高转速动态电磁加载能否实现的关键参数。温升理论计算结果验证了本文提出的非接触电磁加载方法的可行性，设计的加载装置可用于高速电主轴可靠性试验。
　　利用电磁加载试验台进行非接触电磁加载试验，实测了不同加载条件下电磁力和加载盘温升，对比分析了实测值与理论计算值，结果表明非接触电磁加载方法有效，加载电磁力和温升理论计算较为准确。根据温升试验结果，提出非接触电磁加载装置改进设计方案。改造后的加载装置明显改善了散热，降低了加载盘温升，增大了加载装置产生的加载电磁力，提高了非接触电磁加载装置的应用能力。
　　高速电主轴可靠性试验需模拟主轴实际切削力载荷，主轴工作载荷即为可靠性试验在主轴上加载的应力载荷值。本文根据高速磨削电主轴试样，分析了170MD18Y16型磨削电主轴五级试验载荷谱。根据磨削载荷谱，确定高速磨削电主轴可靠性试验载荷值。设计了170MDl8Y16磨削电主轴可靠性试验方案，采用性能退化试验方法检测电主轴性能特征量退化数据，利用试验数据建立威布尔寿命分布模型，应用极大似然法估计模型参数，完成高速磨削电主轴可靠性评估。
　　高速磨削电主轴可靠性试验结果表明，本文研究成果具有一定工程应用价值，解决了电主轴难以实现高转速动态加载问题。

目录

封面

声明

中文摘要

英文摘要

目录

1 绪论

1.1 课题研究背景及意义

1.2 高速电主轴加载及可靠性试验研究现状

1.3 存在问题及解决思路

1.4 高速电主轴可靠性试验方法

1.5 主要研究内容

1.6 本章小结

2 高速电主轴非接触电磁加载方法及装置设计

2.1 非接触电磁加载方法

2.2 非接触电磁加载设计方案

2.3 电磁加载测试方法

2.4 电磁加载装置及模型分析

2.5 电磁加载试验台设计

2.6 本章小结

3 动态加载电磁场分析

3.1 加载电磁场理论分析

3.2 动态加载电磁场边值问题

3.3 动态加载电磁场有限元分析

3.4 动态加载电磁场解析计算

3.5 本章小结

4 非接触电磁加载性能分析

4.1 静态加载电磁力分析

4.2 动态加载电磁力分析

4.3 电磁加载热性能分析

4.4 本章小结

5 非接触电磁加载实验

5.1 实验装置及方法

5.2 电磁力加载实验

5.3 加载装置温升实验

5.4 高速电主轴性能参数测试

5.5 本章小结

6 基于性能退化高速磨削电主轴可靠性试验

6.1 高速电主轴加速性能退化试验方法

6.2 基于小子样性能退化数据的可靠性分析

6.3 高速磨削电主轴可靠性评估

6.4 本章小结

7 总结与展望

7.1 全文总结

7.2 展望

致谢

参考文献

附录