【正文】 文章 ,從理論上和實(shí)踐方面進(jìn)行了相關(guān)的探索。近年來 ，俄羅斯新一代的機(jī)床可靠性研究人員，其中以 、 里耶夫等為代表的新一代學(xué)者所進(jìn)行的研究反映了俄羅斯數(shù)控機(jī)床可靠性研究的動(dòng)向和現(xiàn)狀 [2]。高速電主軸作為高速加工的核心部件，隨著高速數(shù)控機(jī)床和高速加工中心等高速加工機(jī)床相繼投放國際市場(chǎng)，它的需求正與日劇增，國內(nèi)外各研究機(jī)構(gòu)紛紛投入力量來開發(fā)此項(xiàng)目技術(shù)。 關(guān)鍵詞 ： 高速電主軸 可靠性 非接觸式加載 設(shè)計(jì)Abstract Abstract In order to reflect the actual working conditions of highspeed motorized spindle accurately, and text the reliability of the spindle, the paper design a set of simulated system simultaneously suffered the spindle torque, radial force and axial force loading, which use electric dynamometer to achieve the torque loading, contactless shaker to achieve radial loading, the solenoid designed to achieve axial loading. The system not only pletes the dynamic loading of the spindle, but also detects the basic performance parameters and fault indicators parameter of the spindle in the loading process. And it collects failure data, draws the curves of fault data and makes reliability analysis, improving the reliability of the spindle. This paper designs the loading text of the spindle whose maximum speed is 18000rpm and electric power is 22Kw, which proposing a new method for the reliability of spindle. This design has carried on the analysis to the above questions, the primary coverage is as following: 1. Reviewed the reliability and the reliability of spindle. 2. The introduction of spindle39。摘要 高速電主軸非接觸式加載可靠性試驗(yàn) 摘 要 為了準(zhǔn)確反映高速電主軸的實(shí)際工況，對(duì)電主軸進(jìn)行可靠性試驗(yàn)，本文設(shè)計(jì)了一套能同時(shí)模擬實(shí)現(xiàn)主軸所受扭矩、徑向力和軸向力的加載系統(tǒng)—— 利用電力測(cè)功機(jī)實(shí)現(xiàn)扭矩加載、非接觸式激振器實(shí)現(xiàn)徑向加載、自行設(shè)計(jì)的電磁鐵實(shí)現(xiàn)軸向加載。 5． 其他輔助零件設(shè)計(jì)如電主軸的夾持支撐機(jī)構(gòu)，最后完成其整體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。近幾十年來，高速加工技術(shù)得到了迅猛地發(fā)展，尤其在工業(yè)發(fā)達(dá)的國家，它已被廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)的各個(gè)部門。 在 70 年代，機(jī)床可靠性技術(shù)發(fā)源于前蘇聯(lián)，蘇聯(lián)某些高校機(jī)床界本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 2 的權(quán)威人士，如 50年代曾來中國講學(xué)的機(jī)床專家 ，根據(jù)機(jī)床產(chǎn)品在結(jié)構(gòu)、功能、外載荷等方面的特殊性，對(duì)機(jī)床可靠性進(jìn)行過專門的研究，建立了機(jī)床可靠性的一些基本理論，在機(jī)床領(lǐng)域進(jìn)行可靠性研究開辟了新途徑，發(fā)表了一系列針對(duì)機(jī)床具體產(chǎn)品的可靠性著作（如導(dǎo)軌磨損等規(guī)律對(duì)機(jī)床精度故障和無故障工作時(shí)間的影響、機(jī)床熱變形等），并出版了論述數(shù)控機(jī)床可靠性與精度的專著。 70 年代我國的可靠性工作開始于從引進(jìn)國外標(biāo)準(zhǔn)資料，可靠性工程應(yīng)用在電子、機(jī)械、電力、航天、儀表等部門，并取得不同程度的進(jìn)展 [3]。機(jī)床現(xiàn)代診斷技術(shù)是一門近 20 多年來發(fā)展起來的新興學(xué)科，它是在機(jī)床的運(yùn)行過程中針對(duì)機(jī)床的運(yùn)行狀態(tài)及時(shí)做出判斷，并采取相應(yīng)解決措施，以提高機(jī)床運(yùn)行的可靠性，進(jìn)一步提高了機(jī)床的利用率。然后，采用紅外溫度傳感器、電渦流位移傳感器，對(duì)高速電主軸軸端溫度、軸向熱伸長(zhǎng)、徑向振動(dòng)和進(jìn)行了非接觸實(shí)式測(cè)量。并且在主軸整體動(dòng)力學(xué)熱模型的建立和溫升的影響因素確定等方面取得了一定的理論和試驗(yàn)測(cè)試成果，為高速電主軸的的后續(xù)研究作出了一定的貢獻(xiàn)。這種把主軸電動(dòng)機(jī)與機(jī)床主軸“合二為一”的傳動(dòng)結(jié)構(gòu)形式，使主軸部件從機(jī)床的傳動(dòng)系統(tǒng)和整體結(jié)構(gòu)中相對(duì)獨(dú)立出來，稱之為“主軸單元”，俗稱為“電主軸”。 吉林大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 6 電動(dòng)機(jī)會(huì)產(chǎn)生大量的熱，軸承在高速運(yùn)轉(zhuǎn)下也會(huì)產(chǎn)生大量的熱，這兩個(gè)熱源構(gòu)成了主軸主要的內(nèi)部熱源，如果不加以控制，由此引起的熱變形會(huì)降低機(jī)床的加工精度和軸承的使用壽命，從而需要設(shè)計(jì)專門用于冷卻電動(dòng)機(jī)的油冷或水冷系統(tǒng)。 （ 2）軸承技術(shù)。為了實(shí)現(xiàn)自動(dòng)換刀以及剛性攻螺紋，電主軸內(nèi)需安裝一個(gè)脈沖編碼器，以實(shí)現(xiàn)相位的準(zhǔn)確控制以及與進(jìn)給的配合。 （ 8）冷卻技術(shù)。 安裝 6M8 內(nèi)六角 (3)前軸承組： 2VEX45/NS 7CE1 DDL 后軸承組： 2VEX45/NS 7CE1 DDL (4)安裝 HSKE40 刀柄（用戶自備） 帶 HSKE40 拉爪 OTT 松拉刀系統(tǒng) 配帶雙向油缸 拉刀力 560Kg 松刀力 850 Kg 進(jìn)入油缸油壓 3MPa (5)配 omron 拉刀 松拉刀接近開關(guān) (6)配 MCW2501 精密水冷機(jī) (7)配意大利西技聯(lián) 4 路油氣裝置 (8)主軸前后軸承油氣潤滑油品為 32汽輪機(jī)油 進(jìn)氣壓力為 出氣壓力為 MPa 用油量： 1滴 /min (9)配用 MCW25C01 精密水冷機(jī)，冷卻主軸電機(jī)和前后軸承， 進(jìn)入主軸冷卻腔體介質(zhì)溫度≤ 15℃ 冷卻水配方： 2%無水碳酸鈉， 1%亞硝酸鈉， 97%水 第 4 節(jié) 電主軸受力計(jì)算 此處省略 NNNNNNNNNNNN 字。所以需要加載的軸向力為 ,徑向力為 ，考慮切削過程中的動(dòng)態(tài)因素和其他的不穩(wěn)定因素，最大軸向力按 400N，最大徑向力按 1000N來設(shè)計(jì)。為了避免電磁鐵 激振器 5 和電主軸 7的勵(lì)磁互相干擾，中間的測(cè)試棒 6 采用陶瓷材料加工。 測(cè)功機(jī)的選型 水力測(cè)功機(jī)是利用物體在水中運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生摩擦阻力吸收發(fā)動(dòng)機(jī)的功率的一種測(cè)功裝置。通過改變勵(lì)磁電流的大小即可改變負(fù)載力矩的大小。 直流測(cè)功機(jī)一般由直流發(fā)電機(jī)和控制器組成，利用直流發(fā)電機(jī)作為負(fù)載并將發(fā)出的電能通過其加載及回饋控制器（逆變器）回饋給輸入端，它和扭矩傳感器配接，即組成性能優(yōu)良的加載系統(tǒng)。渦流測(cè)功機(jī)只能 產(chǎn)生制動(dòng)轉(zhuǎn)矩，不能作為電動(dòng)機(jī)一直運(yùn)行。而電力測(cè)功機(jī)卻可以把原動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能回饋到內(nèi)部電網(wǎng)，供其他設(shè)備使用。負(fù)載電機(jī)、轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器、變頻器均經(jīng)國家權(quán)威部門嚴(yán)格檢測(cè)，完全符合相關(guān)的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。 (mm)。當(dāng)激振鐵芯中產(chǎn)生交變磁通時(shí)，測(cè)力線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電勢(shì)，把該電勢(shì)進(jìn)行積分，得到積分電壓，而力與積分電壓成正比。設(shè)計(jì)的激振器加載部件如圖 35 所示。電磁鐵可以分為牽引電磁鐵、框架電磁鐵、磁保持式電磁鐵、吸盤式電磁鐵和管裝式電磁鐵。 直流 電磁鐵的磁路磁勢(shì)絕大部分降落在氣隙上，由于氣隙為 0. 5mm，可以忽略漏磁通，所以可以用氣隙的磁勢(shì)代替整個(gè)磁路的磁勢(shì)進(jìn)行設(shè)計(jì)，然后再進(jìn)行力的標(biāo)定，修正誤差。電磁鐵后面連接在型號(hào)為 CPR24 的 S型拉壓力傳感器，傳感器通過 CXSE 增強(qiáng)型單輸入通道儀表與 PC 機(jī)相連，通過編寫的程序，實(shí)時(shí)檢測(cè)和控制磁力大小。 第 4 章 檢測(cè)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 第 4 章 檢測(cè)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 做電主軸的可靠性試驗(yàn)，需要在加載狀態(tài)下實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電主軸的運(yùn)行狀態(tài)，收集故障數(shù)據(jù)，就需要設(shè)計(jì)一套性能檢測(cè)系統(tǒng)。 第 1 節(jié) 轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩檢測(cè) 電主軸轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩的測(cè)定即電主軸的負(fù)載特性試驗(yàn)，主要使電力測(cè)功機(jī)的負(fù)載在（ ～ ）倍的額定功率范圍內(nèi)變化，并測(cè)量相應(yīng)的轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)矩。系統(tǒng)的溫升越高，零配件的熱變形就越大，將嚴(yán)重影響主軸的精度。高速電主軸的軸向熱伸長(zhǎng)及徑向振動(dòng)直接影響刀具的位置，從而造成加工誤差。與此同時(shí)該電渦流場(chǎng)也產(chǎn)生一個(gè)方向與頭部線圈方向相反的交變磁場(chǎng)，由于其反作用，使頭部線圈高頻電流的幅度和相位得到改變（線圈的有效阻抗），這一變化與金屬體磁導(dǎo)率、電導(dǎo)率、線圈的幾何形狀、幾何尺寸、電流頻率以及頭部線圈到金屬導(dǎo)體表面的距離等參數(shù)有關(guān)。 檢測(cè)方案 吉林大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 27 徑向跳動(dòng)檢測(cè) 圖 44 徑向跳動(dòng)檢測(cè) 方案 當(dāng)需要測(cè)量軸的徑向跳動(dòng)時(shí)，要求軸的直徑大于探頭直徑的三倍以上。探頭安裝距離距止推法蘭盤不應(yīng)超過 305mm(API670 標(biāo)準(zhǔn)推薦值 )。電主軸上面有個(gè)專門放置振動(dòng)速度傳感器的 M8螺紋孔，定做的振動(dòng)速凍傳感器通過 M8D的螺栓聯(lián)接到主軸上面。工作時(shí)，將傳感器安裝在機(jī)器上，在機(jī)器振動(dòng)時(shí)，在傳感器工作頻率范圍內(nèi)，線圈與磁鐵相對(duì)運(yùn)動(dòng)、切割磁力線，在線圈內(nèi)產(chǎn)生感應(yīng)電壓，該電壓值正比于振動(dòng)速度值。如圖 51所示。加載棒的軸肩處承受軸向力為344N，徑向力為 960N，轉(zhuǎn)矩為 ，將加載棒的材料設(shè)置成陶瓷。在設(shè)計(jì)期間，使我綜合運(yùn)用機(jī)械設(shè)計(jì)的理論和實(shí)際知識(shí)，結(jié)合實(shí)際現(xiàn)有的東西知識(shí) ，培養(yǎng)分析和解決一般工程實(shí)際問題的能力，并使所學(xué)的知識(shí)得到進(jìn)一步鞏固、深化和擴(kuò)展；通過設(shè)計(jì)，使我掌握機(jī)械設(shè)計(jì)的一般規(guī)律，樹立正確的設(shè)計(jì)思想，培養(yǎng)獨(dú)立分析和解決實(shí)際問題的能力。 吉林大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 35 致 謝 設(shè)計(jì)結(jié)束時(shí)，我深切感受到不僅是自己的勞動(dòng)，還有身邊老師和同學(xué)的關(guān)心和支持才使我取得了本次課題的成果，在此向他們表示衷心的感謝。93， ， 1993 [2] 顧履平 .FMEA 是提高機(jī)械產(chǎn)品可靠性的有效途徑 .《機(jī)械設(shè)計(jì)與制造》 ,1993 第 1期 [3] 朱黎輝 .加工中心可靠性的研究與分析 .吉林大學(xué)碩士學(xué)位論文， [4] 葉佩青等 .數(shù)控技術(shù)的現(xiàn)狀及發(fā)展策略 .機(jī)械科學(xué)與技術(shù) . 1997 年第3 期 [5]于印民 .高速電主軸軸向熱伸長(zhǎng)及徑向振動(dòng)事實(shí)測(cè)量與補(bǔ)償?shù)难芯?.沈陽理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 , [6]陳鋒 .高速電主軸的模態(tài)與加載試驗(yàn)研究 .重慶大學(xué)碩士學(xué)位論文 , [7]胡愛玲 .高速電主軸動(dòng)靜態(tài)特性的有限元分析 .廣東工業(yè)大學(xué)學(xué)位論文 , [8]康輝民 .高速電主軸動(dòng)靜態(tài)性能分析與實(shí)驗(yàn)檢測(cè)技術(shù) .重慶大學(xué)博士論文 , [9]王永賓 .電主軸綜合性能測(cè)試與評(píng)價(jià)系統(tǒng)的研究 .北京工業(yè)大學(xué) .碩士學(xué)位論文 , [10]秦少軍 .基于多影響因子的電主軸可靠性分析 .組合機(jī)床與自 動(dòng)化加吉林大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 37 工技術(shù) .2020,6:3132 [11] 李彥，竇懷洛等 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[25] 譚慶昌，趙洪志 機(jī)械設(shè)計(jì)，北京：高等教育出版社， 2020. 吉林大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 38 附圖 1 電磁鐵組件 吉林大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 39 附圖 2 電主軸 吉林大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 40 附圖 3 電力測(cè)功機(jī)組件 吉林大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 41 附圖 4 總體試驗(yàn)平臺(tái)