高速电主轴系统是高端数控机床中最重要的功能部件,是实现高速和超高速切削的载体。高速电主轴复杂的动态特性直接影响着工件的加工质量及其本身的使用寿命。而其动态特性关键指标的实验方法和测试技术尚待攻克。本文研究了高速电主轴复杂动态特性的综合测试技术,并根据测试需要自主研发了一款新颖的高速电主轴及其系统。在建立实验平台的基础上,着重针对其动态支承刚度和轴承摩擦损耗两重要动态特性在理论分析和实验检测上的不足和迫切需要,进行了深入的研究。以及开展了电主轴在综合性能测试中实验加载方法的研究,完善了电主轴的综合性能测试技术。主要做了以下几方面的工作:开展了高速电主轴性能和运行品质的实验方法和测试技术研究,主要包括:对电主轴输出特性、电磁特性、动态支承刚度、温升特性和回转特性等综合性能指标的测量提出了实验方案。为了完成电主轴综合性能的测试,自主研发了一款先进的高速电主轴及其配套子系统。针对电主轴动态加载的难题,提出了两种新颖的加载方法。最终搭建了电主轴系统及其综合性能测试系统的实验平台,为后续研究提供了实验基础。基于球轴承的拟静力学模型完成了轴承内部动力学状态的数值模拟仿真。在求解每一个滚动体动力学基本参量的基础上,研究了电主轴中组配轴承动态支承刚度的求解方法,并着重讨论了径向力对轴承径向/轴向/角刚度的影响规律。研发了一种由气缸作为执行器和滚动轴承作为分离器的接触式加载装置,并对实验数据分析方法进行研究,实现了电主轴转子和前/后轴承动态支承刚度的高速测量。最终,通过理论模型求解和实验测量相结合的方法,分析了转速和径向力对前/后轴承动态支承刚度的影响。针对电主轴在高速工况下产热严重的问题,建立了高速轴承摩擦损耗的理论模型。设计了自由减速法和能量平衡法两种直接且定量测量轴承摩擦损耗的实验方法。实验结果表明,即使在油气润滑条件下,粘性摩擦损耗依然是轴承摩擦损耗的重要组成部分。根据实验结果推导了轴承空腔内润滑剂体积分数关于供油量、供气压力、转速和轴承直径的经验公式,表征了油气润滑参数对轴承摩擦损耗的影响。通过实验确定了电主轴的最佳供油量;验证了预紧力在线调节装置的有效性;揭示了润滑剂粘-温关系和热-机耦合因素对轴承摩擦损耗影响的重要性。研究成果对高速轴承摩擦损耗的预测、测量和减小具有重要意义。针对电主轴高速旋转时动态扭矩加载的难题,设计、制造并测试了一种基于磁流变液的高速电主轴动态加载系统。详述了该加载系统的工作原理和结构。通过Maxwell软件的2D静态电磁场分析对磁感应强度进行仿真计算,结合磁流变液的本构关系得到了加载器的加载扭矩模型。然后通过实验测得加载扭矩与电流、转速的对应关系,发现了磁流变液的零场粘度和剪切屈服应力与剪切率呈非线性关系,并对Herschel-bulkley模型予以修正。修正模型计算的加载扭矩与实验结果吻合较好,为设计基于磁流变剪切原理的高速传动装置奠定了基础。最后对加载系统的扭矩稳定性、温度稳定性、重复使用性等加载性能进行了实验研究,验证了该加载系统的可行性和正确性。为高速电主轴负载下的动态性能测试提供了一种全新的方法。针对电主轴高速旋转时动态径/轴向力加载的难题,设计、制造并测试了一种基于高压水射流的高速电主轴柔性加载系统。基于连续动量方程,建立了射流冲击力的理论模型。通过流体有限元仿真和射流冲击力标定实验,得到了靶距、喷射压力、流量、喷嘴直径、标靶直径、转速与冲击力之间的关系,实现了对电主轴的定量加载。测试了利用高压水射流加载下电主轴的动态性能,实验结果表明:第一,高压水射流可以为电主轴提供稳定和长时的动态加载;第二,电主轴的温升、功率损耗和振动随着负载的增加而明显增大,空载测试不能反映电主轴的真实工况。为高速电主轴关于运行品质的相关研究提供了一种可靠的实验方法。