为了精确表征电主轴运转过程中的热态特性,综合考虑热诱导预紧力与黏温效应的影响,建立了新的轴承生热动态模型,在热边界条件引入接触热阻的基础上,采用有限元方法得到主轴系统稳态温度场分布,并分析了主要因素对电主轴热态特性的影响。计算结果表明接触热阻的存在使主轴系统整体温度梯度增加,比没有考虑接触热阻时的温升高;温升引起的热变形,不仅生成了热诱导预紧力而且增加了轴承的温升;为了降低轴承产热,低转速下应选用高粘度润滑油,低转速下应选用高粘度润滑油。

为了更精确地研究高速电主轴的热态特性,基于热力学理论,考虑定、转子表面粗糙度对定、转子间隙换热系数及空气摩擦损耗的影响,分别计算电主轴产热量和各传热系数,建立电主轴有限元模型,通过数值分析得到电主轴温度场及热变形情况。结果表明随着转速和定、转子表面粗糙度的增大,空气摩擦损耗量增加;定、转子间隙换热系数随着定、转子表面粗糙度的增加不断增大;定、转子表面粗糙度大的电主轴温度比粗糙度小的温度低,表明换热系数对高速电主轴温升的影响比空气摩擦损耗对其的影响更明显。

针对轴承早期微弱故障的预测问题,提出将样本熵和变分模态分解法结合的方法。首先计算主轴轴承振动信号的样本熵值,构成轴承健康状态时间序列;其次K从2~10分别取值,对轴承健康状态时间序列进行变分模态分解,得到不同的IMF分量,分别将不同K值分解下低频分量作为轴承振动信号的趋势项;最后根据互相关性、峭度、方差准则,找到最优的轴承振动信号的趋势项,并与已有指标对比。实例验证将样本熵和变分模态分解法结合,提取轴承振动信号的趋势项,能够更早地预测出轴承早期微弱故障。

为更加准确地描述高速电主轴轴承热位移和预紧力对其摩擦力矩的影响,建立角接触球轴承摩擦力矩数学模型。结合修正的拟静力学理论建立轴承受力平衡方程,分析轴承热位移和预紧力对轴承摩擦力矩的影响规律。结果表明:轴承热位移随转速的增加而增大,在高速条件下其值较大;轴承摩擦力矩随径向热位移的增加而增加,随轴向热位移增加而缓慢增加;轴承转速越低,轴承热位移对摩擦力矩的影响越明显;轴承摩擦力矩随着轴向预紧力的增加而增加;轴承热位移和预紧力对轴承差动滑动摩擦力矩影响最大,对自旋摩擦力矩影响次之,对弹性滞后摩擦力矩的影响最弱。

为了对电主轴运转时振动信号特征进行更有效的提取,提出了基于小波包层次熵的电主轴特征提取方法.首先对电主轴振动信号利用小波包变换进行分解、重构,得到若干节点信号;然后计算不同节点信号的样本熵值,构成其小波包层次熵值;最后通过小波包层次熵值提取电主轴振动信号特征.计算结果表明与傅里叶变换方法相比,基于小波包层次熵的分析方法不仅考虑了时间序列的低频成分,同时也考虑了其高频成分,可有效地提高特征提取的准确率,更精确和完整地描述电主轴振动信号的特征,为提取电主轴振动信号特征提供了一种快速有效的新方法.

针对传统经验公式难以准确反映滚动轴承正常工作时油膜刚度动态变化的问题,根据滚动轴承运行时油膜状态分布,基于非Newton流体弹流润滑理论,考虑表面粗糙形貌、热效应、时变效应等因素,建立滚动轴承油膜刚度计算模型。通过数值计算,得到一个完整工作周期内油膜压力、膜厚、温度和刚度变化规律。结果表明：油膜刚度在一个周期内呈非线性变化,并随载荷、黏度、表面粗糙度幅值的增大而增大,随卷吸速度的增大而有所减小;油膜刚度的振荡频率随表面粗糙度波长和粗糙表面纹理走向与轴承滚动方向夹角增大而增大;滚动轴承正常工作时,油膜的温升最大,内圈次之,滚动体最小且不可忽略。