【摘 要】
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高速电主轴是高档数控机床领域重点研发的高性能功能部件。JB/T 10801-2007指出在工作转速内测量电主轴振动,但GB/T 24610-2019中,单套轴承振动测量的默认转速为1 800 r/min,它远远低于电主轴的工作转速。转速引起的轴承非线性特性使得1 800 r/min的轴承振动测量和表征方法不能完全地适应和表征高转速下的轴承振动情况。因此涵盖低、中、高转速段的单套球轴承振动特性的理论
【基金项目】
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国家自然科学基金“空间长寿命轴承的润滑行为及摩擦力矩稳定性研究（U1637206）”； 哈尔滨工业大学—广州市昊志机电股份有限公司轴承联合实验室项目；
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高速电主轴是高档数控机床领域重点研发的高性能功能部件。JB/T 10801-2007指出在工作转速内测量电主轴振动,但GB/T 24610-2019中,单套轴承振动测量的默认转速为1 800 r/min,它远远低于电主轴的工作转速。转速引起的轴承非线性特性使得1 800 r/min的轴承振动测量和表征方法不能完全地适应和表征高转速下的轴承振动情况。因此涵盖低、中、高转速段的单套球轴承振动特性的理论和测试研究以及球轴承对主轴振动测试系统的振动特性影响研究对促进轴承行业滚动轴承振动测量标准的发展有重要意义。针对单套球轴承振动测试,单套球轴承振动分析模型中考虑了转速、轴向载荷、驱动芯轴的支承刚度和质量偏心距的影响,采用轴承拟静力学分析方法和拉格朗日方程推导了高速球轴承的二阶非线性微分方程组,在方程组中还考虑了套圈滚道和球的波纹度、外圈滚道局部缺陷、轴承润滑油膜的影响;在单套球轴承的振动分析模型基础上,采用有限单元法和拉格朗日方程建立了高速转子-球轴承-轴承座系统的二阶非线性微分方程。为确定频域表征方法中包含波纹度信息的频带范围,首先研究了波纹度级数引起的轴承振动频率,结果表明波纹度级数与特定的轴承振动频率有明确的数学关系,转速、轴承润滑油膜、驱动芯轴的质量偏心距影响这些频率的幅值;其次研究了波纹度参数对高速球轴承振动幅值和振动响应谱的频率分布特征的影响,结果表明轴承振动速度响应谱中包含幅值较大的频带范围受波纹度参数影响较小,波纹度幅值对这个频带内的幅值影响最显著。为确定频域表征方法中总分析频带范围,开展了转速对高速球轴承振动特性影响的研究,结果表明与全频带幅值有效值几乎重合的频带在固定的范围内,这个频带决定了总分析频带带宽,它不受转速、轴向载荷、芯轴参数、轴承润滑油膜的影响;局部缺陷引起冲击信号,转速与轴承振动响应中包含冲击信号的最优子信号频带的中心频率呈分段线性关系,这个频率影响总分析频带带宽。为确定滚动轴承振动扩展测试的转速,分析了单套球轴承与高速转子-球轴承-轴承座系统的振动特性的关系,结果表明轴承波纹度引起的转子和轴承座的振动频率与单套球轴承的一致;轴承座振动响应中包含冲击信号的最优子信号频带的中心频率位置与单套球轴承的一致;低转速和高转速下,轴承座的振动加速度响应中能够提取冲击信号所需的局部缺陷宽度比单套球轴承的大。在滚动轴承高速振动测试台上进行低、中、高转速的球轴承振动测试研究,结果表明了高转速下,非接触式振动测量避免了驱动芯轴频率高倍频的影响,更有利于反映轴承自身振动特性,以及验证了本文提出的单套球轴承和主轴振动测试系统的振动分析模型的合理性和理论分析结果的正确性。依据GB/T 24610-2019,扩展了轴承振动的表征方法。时域表征方法中,幅值的有量纲参数比无量纲参数更有利于表征波纹度幅值与轴承振动响应幅值的正相关关系;频域表征方法中,基于波纹度与轴承振动频率的数学关系和轴承振动能量分布特征,对按照转速比扩充的频带进行了从新划分,新的分析频带缩减和定位了轴承振动水平异常的频带范围和位置,这对轴承振动评价体系的发展有重要意义。
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