[發(fā)明專(zhuān)利]一種高速電主軸轉(zhuǎn)子-軸承-外殼系統(tǒng)動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201810927470.0
• 申請(qǐng)日: 2018-08-15
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN109063356B
• 公開(kāi)（公告）日: 2019-10-15
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 蔣書(shū)運(yùn);林圣業(yè)
• 申請(qǐng)（專(zhuān)利權(quán)）人: 東南大學(xué)
• 主分類(lèi)號(hào): G06F17/50
• 分類(lèi)號(hào): G06F17/50
• 代理公司: 南京蘇高專(zhuān)利商標(biāo)事務(wù)所(普通合伙) 32204
• 代理人: 柏尚春

1.一種高速電主軸轉(zhuǎn)子-軸承-外殼系統(tǒng)動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)方法，其特征在于該方法包括以下步驟：

步驟1：將高速電主軸轉(zhuǎn)子-軸承-外殼系統(tǒng)簡(jiǎn)化為雙轉(zhuǎn)子耦合動(dòng)力學(xué)模型；具體為：主軸轉(zhuǎn)子和外殼-軸套組件均簡(jiǎn)化為由N段無(wú)質(zhì)量梁?jiǎn)卧B接的離散質(zhì)量，在主軸轉(zhuǎn)子與外殼-軸套組件不滿足邏輯對(duì)齊的分段引入虛質(zhì)量；砂輪和電機(jī)轉(zhuǎn)子處理為考慮陀螺效應(yīng)的剛性圓盤(pán)；滾動(dòng)軸承等效為同時(shí)具有線剛度和角剛度的彈簧元件；軸套與機(jī)床聯(lián)接處也等效為彈簧元件；

步驟2：高速電主軸轉(zhuǎn)子-軸承-外殼系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性分析；具體包括：

步驟2a：采用整體單元傳遞矩陣表征相鄰狀態(tài)向量之間的傳遞關(guān)系；

步驟2b：根據(jù)全局傳遞關(guān)系計(jì)算高速電主軸轉(zhuǎn)子-軸承-外殼系統(tǒng)的臨界轉(zhuǎn)速和相應(yīng)振型；

步驟2c：采用考慮不平衡量的整體單元傳遞矩陣表征相鄰狀態(tài)向量之間的傳遞關(guān)系；

步驟2d：根據(jù)考慮不平衡量的全局傳遞關(guān)系計(jì)算高速電主軸轉(zhuǎn)子-軸承-外殼系統(tǒng)的軸端靜、動(dòng)剛度；

步驟3：高速電主軸轉(zhuǎn)子-軸承-外殼系統(tǒng)動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)，以獲得盡可能大的轉(zhuǎn)子臨界轉(zhuǎn)速和軸端靜剛度；所述高速電主軸轉(zhuǎn)子-軸承-外殼系統(tǒng)動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)，包括：首先計(jì)算高速電主軸轉(zhuǎn)子臨界轉(zhuǎn)速和軸端靜剛度與設(shè)計(jì)變量的對(duì)應(yīng)關(guān)系，再將轉(zhuǎn)子臨界轉(zhuǎn)速和軸端靜剛度最大值對(duì)應(yīng)的設(shè)計(jì)變量取值作為設(shè)計(jì)變量的最佳值。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種高速電主軸轉(zhuǎn)子-軸承-外殼系統(tǒng)動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)方法，其特征在于，步驟2a所述采用整體單元傳遞矩陣表征相鄰狀態(tài)向量之間的傳遞關(guān)系，具體為：

式中：Z表示組成整體傳遞矩陣的狀態(tài)向量：Z＝[Q^s M^s θ^s X^s Q^r M^r θ^r X^r]^T；T表示整體單元傳遞矩陣；U表示非耦合整體單元傳遞矩陣；u₁₁表示外殼單元傳遞矩陣；u₂₂表示轉(zhuǎn)子單元傳遞矩陣；C表示耦合矩陣；Q表示剪力；M表示彎矩；θ表示轉(zhuǎn)角；X表示撓度；m表示質(zhì)量；J_p表示極轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；J_d表示直徑轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；E表示彈性模量；I表示截面慣性矩；l表示軸段長(zhǎng)度；ν表示截面剪切變形系數(shù)；ω表示角度；K_r和K_θ分別表示軸承線剛度和角剛度；K_c和K_ch分別表示耦合線剛度和耦合角剛度；上標(biāo)s表示殼體；上標(biāo)r表示轉(zhuǎn)子；下標(biāo)i表示狀態(tài)向量的序號(hào)，i＝1,2,…,N+1；N表示轉(zhuǎn)子無(wú)質(zhì)量梁?jiǎn)卧目倲?shù)。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種高速電主軸轉(zhuǎn)子-軸承-外殼系統(tǒng)動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)方法，其特征在于，步驟2b所述根據(jù)全局傳遞關(guān)系計(jì)算高速電主軸轉(zhuǎn)子-軸承-外殼系統(tǒng)的臨界轉(zhuǎn)速和相應(yīng)振型，具體為：

電主軸兩端的全局傳遞關(guān)系為：

Z_N+1＝AZ₁ (2)

式中：A表示全局傳遞矩陣，其計(jì)算表達(dá)式為：

A＝T_NT_N-1…T₁ (3)

電主軸兩端取自由邊界Z₁＝Z_N+1＝[0 0 θ^s X^s 0 0 θ^r X^r]^T，代入式(2)得到以下特征方程，求解特征方程獲得臨界轉(zhuǎn)速：

式中：ω_n表示臨界轉(zhuǎn)速；a_mn表示位于全局傳遞矩陣A中第m行第n列的元素；m,n＝1,2,…,8，

再取軸端初始狀態(tài)向量為Z₁＝[0 0 0 0 0 0 0 1]^T，將ω_n和Z₁代入式(1)計(jì)算得到所有離散質(zhì)量的相對(duì)位移，獲得與臨界轉(zhuǎn)速對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)子振型。