[發明專利]一種基于振動譜分析的電主軸軸承結構參數推斷方法

有效

• 申請號: 202110851915.3
• 申請日: 2021-07-27
• 公開（公告）號: CN113588267B
• 公開（公告）日: 2022-06-14
• 發明（設計）人: 周昕;李夢梅;陶文堅;李連玉;熊虎山;吉勇
• 申請（專利權）人: 成都飛機工業（集團）有限責任公司
• 主分類號: G01M13/045
• 分類號: G01M13/045;G06F17/14;G06K9/00;H03H17/02
• 代理公司: 成都君合集專利代理事務所(普通合伙) 51228
• 代理人: 尹玉

本發明公開了一種基于振動譜分析的電主軸軸承結構參數推斷方法，依次進行信號采集、濾波預處理、FFT變換、基頻搜索、比例因子計算、調制系數序列構建的操作，最終獲得的電主軸軸承結構參數包括：比例因子、滾子個數、軸承內外徑尺寸，利于實現軸承的狀態評估和故障預警。本發明基于電主軸振動信號頻譜與理論的一致性開展振動譜分析，實現電主軸軸承結構參數的逆向推斷，并通過實際生產驗證了本發明的實用性和有效性。

技術領域

本發明屬于軸承結構參數推斷的技術領域，具體涉及一種基于振動譜分析的電主軸軸承結構參數推斷方法。

背景技術

機床電主軸通常工作在高轉速、低負載的場景下，具有很高的加工和裝配精度。軸承作為連接電主軸轉子和定子的關鍵部件，同時又是電主軸系統的薄弱剛性環節，在機床長期的生產服役過程中可能出現由于潤滑不良、動態磨損、沖擊碰撞等引起的軸承故障，對生產安全和零件質量造成威脅。軸承故障信息通過聲發射、熱輻射、振動等形式與環境形成耦合反饋，現代故障診斷技術通過收集反饋信息，采用先進的信號處理手段剝離故障信息，可以實現軸承的狀態評估和故障預警。其中振動信號是最常用的形式，具有感受直觀、易于采集等特點，在制造行業中得到大量應用。

但故障診斷技術普遍需要軸承的結構參數作為支撐條件，而由于生產廠商技術保密和電主軸模塊化封裝等原因，很難直接獲取軸承結構參數，故障診斷技術的應用受到極大限制。得益于電主軸超高的制造和裝配精度，即使在高速運行狀態下其振動信號頻譜與理論仍表現出高度的一致性，可以通過譜分析手段對軸承結構參數進行可靠推斷。

接觸角是軸承參數推斷的重要基礎之一，電主軸與機械主軸相似，工作過程中同時承受徑向和軸向負荷，但由于其高速的應用場景，軸向和徑向負載均較機械主軸大幅降低，且其結構不涉及復雜的機械傳動，因此廣泛選配接觸角為15°或25°的角接觸球軸承。此外，軸承高度的ISO標準化，同樣為參數推斷提供了便利。

發明內容

本發明的目的在于提供一種基于振動譜分析的電主軸軸承結構參數推斷方法，旨在解決上述問題。

本發明主要通過以下技術方案實現：

一種基于振動譜分析的電主軸軸承結構參數推斷方法，包括以下步驟：

步驟S100：采用數字濾波器對電主軸的振動信號x(t)進行帶通濾波，消除低頻和高頻分量對頻譜分析過程的干擾；

步驟S200：讀取并驗證電主軸轉頻f_r，在指定的頻譜區間進行最大值搜索，確定基頻f_b，并通過其諧波頻率信息進行修正；

步驟S300：電主軸軸承接觸角為15°或25°，以此為基礎構建比例因子λ的候選集Θ＝{θ_15°,θ_25°}，通過計算和邏輯判定確定比例因子λ；

步驟S400：定義調制系數ρ，指定中心調制頻率f_c和載波頻率f_e，在頻譜上滑動計算形成調制系數序列P^(κ),κ＝1,2，繪制P^(κ)莖葉圖構建索引序號構成集合I，J，則Z＝I∩J；

步驟S500：粗估軸徑d_est，以比例因子λ和滾子數量Z為約束條件查閱軸承手冊，確定軸承外徑D和內徑d。

為了更好地實現本發明，進一步地，在步驟S100中，通過傳感器采集電主軸空運行、穩態的振動信號x(t)，獲取轉頻f_r；傳感器的采集位置為電主軸前端軸承外殼。

為了更好地實現本發明，進一步地，采用數字濾波器對振動信號x(t)進行帶通濾波的濾波通帶為[10,20f_r]。