高速电主轴动态性能试验

2022-07-19田胜利陈小安王健赵兴新

轴承 2022年7期

田胜利，陈小安，王健，赵兴新

(1.重庆工商大学制造装备机构设计与控制重庆市重点实验室，重庆 400067；2.重庆大学机械传动国家重点实验室，重庆 400044；3.重庆长江轴承股份有限公司博士后工作站，重庆 401336；4.洛阳轴承研究所有限公司，河南洛阳 471039)

随着高速/超高速、精密/超精密加工要求的不断提高，高速电主轴系统的动态性能和可靠性成为高速电主轴技术发展的重点和难点[1]。然而，有关高速电主轴试验方法的研究不足且试验手段相对简单，综合测试技术研究较少，加载测试尚有困难，特别是试验方法的研究与其复杂动态性能等基础问题的研究脱节，一方面导致高速电主轴相关试验技术缺乏试验方法的指导，另一方面则导致高速电主轴复杂动态性能等基础问题研究也缺乏试验手段支撑。

在高速电主轴单元上集成动态性能在线监测和调控功能是突破其相关试验技术的首要任务[2]。文献[3]设计了一种基于液压执行器的预紧力可调高速电主轴，并通过测试主轴刚度和温升验证了其可行性；文献[4]设计了一种利用电涡流传感器测量转子热位移进行热补偿的电主轴，与传统的热电偶热补偿法相比，该电主轴可以更精确地实现热补偿；文献[5]在研究油雾润滑对电主轴摩擦损耗影响时指出热电偶应尽量布置在靠近轴承外圈处；文献[6]指出传统以标准球为参考测量电主轴回转特性的方法只适合空载、低速和无刀具工况，无法表征电主轴实际加工过程中的回转特性：以上研究针对高速电主轴特定的动态性能检测或调控提出解决方案，但存在动态性能检测传感器单一、集成化程度不高的问题，无法满足高速电主轴动态性能的综合测试需求。

在高速电主轴单元动态性能试验检测技术方面，国内企业通常仅进行电主轴产品出厂空载运转测试，或按照普通机械主轴的检测标准规范测试径向跳动来检测运行精度以及静刚度等指标，多数企业不具备动态输出扭矩、动态刚度、平均无故障运行时间等电主轴产品关键性能指标的研究和检测能力。文献[7]设计了基于电力测功加载系统和压电陶瓷加载系统的高速电主轴可靠性试验台；文献[8]研制了高速电主轴单元试验平台，实现了电主轴单元的轴承温度、振动、回转精度等特征参数的测试；文献[9]对主轴回转误差、激振试验、预紧力测量等技术做了深入研究；文献[10]研发了一种非接触气膜加载装置，并测试了转速和径向力对高速电主轴动态支承刚度的影响；文献[11-12]研制了一种非接触式电磁加载装置，并测量了各影响因素对电主轴刚度的影响规律；文献[13]建立了电主轴热稳定性研究试验台，利用五点分布法同步测量电主轴的旋转精度和温度场分布：以上试验平台的功能单一，而且电主轴关键指标的检测方法仍存在缺陷，高速动态加载依然困难。

鉴于此，在某型高速电主轴基础上集成多种检测功能制成试验样机，并搭建了通用性较强的高速电主轴动态性能综合测试系统，以实现高速电主轴的温升特性、三维振动特性、热膨胀特性、输出特性、电磁特性、机械摩擦损耗、动态支承刚度等动态性能的在线测量。

1 高速电主轴试验样机

集成多种检测功能的高速电主轴试验样机结构如图1所示。电主轴内置多种检测传感器，可实时检测电主轴实际加工过程中的动态性能参数，其中内置的轴向电涡流传感器可实时监测电主轴加工过程中的轴向热膨胀量，有效指导数控机床的热补偿量。另外，该电主轴还具有预紧力在线调节功能。

1—前轴承座；2，3—循环水套；4—定子；5—转子；6—动平衡环；7—壳体；8—弹簧；9—后轴承座；10—直线滚动支承；11—U形支架；12—后端盖；13—压电陶瓷；14—压力传感器；15—齿轮；16—编码器；17，20，23—温度传感器；18—后轴承；19，22，25—电涡流传感器；21—旋转轴；24—前轴承。

温度传感器17和23安装在轴承座上并与轴承外圈直接接触，温度传感器20安装在壳体上并与定子接触。内置磁感应式编码器安装在后轴承座上，旋转轴的转速n为

(1)

式中：N为编码器捕获的脉冲数；Z为齿轮的齿数；T为编码器的倍频；t为采样时间。

预紧力在线调节装置包括一系列压缩弹簧、轴向可移动后轴承座、微型压力传感器和封装压电陶瓷。前轴承(B7005/C)和后轴承(B7003/C)均采用串联后背对背(QBC配置)的安装方式，同时通过预紧力在线调节装置实现调压预紧。封装压电陶瓷通过螺纹连接安装于后端盖上，通过压电陶瓷驱动电源调控供电电压控制其膨胀量，进而调控压电陶瓷对后轴承座的推力F1，推力值由微型压力传感器测量，则轴承的预紧力F2为[14]

F2=F0-F1，

(2)

式中：F0为压缩弹簧提供的恒定预紧力，在安装之前通过压簧机测得。

高速电主轴内部的回转特性(静态或动态的端面跳动、径向跳动和倾角跳动)主要通过电涡流传感器测量。电主轴回转特性测试采用的5个电涡流传感器的布置方式如图2所示。在电主轴内部布置电涡流传感器主要有2大优点：1)有利于实时监测电主轴实际切削加工过程中(即在负载条件下)的回转特性，监测过程不受切削环境的影响；2)可以测量电主轴内部转子的回转特性，为电主轴的模态分析和轴承动态支承刚度等研究提供试验条件。

图2 高速电主轴内传感器布置示意图

高速电主轴的热膨胀量由轴向电涡流传感器(图2中Z1)测量。轴向电涡流传感器不会影响电主轴的实际加工，而且测得的轴向热膨胀量更接近刀尖的热膨胀量[15]，结合数控机床热补偿调控策略可有效地提高电主轴的加工精度。

2 高速电主轴动态性能测试系统

如图3所示，高速电主轴试验样机包括高频电动机驱动控制、润滑和冷却、电主轴单元等[16]。高速电主轴动态性能测试系统可以测试加载、温升特性、回转特性、输出特性、电磁特性和动态支承刚度等性能指标。

图3 高速电主轴及其动态性能测试系统

2.1 高频电动机驱动控制系统

高频电动机驱动控制系统主要包括变频器、控制柜、断路器和EMC输入/输出滤波器等。变频器支持V/f分离控制，可实现输出电压和输出频率的单独控制，输出频率主要决定电主轴的转速，而输出电压决定了电主轴的功率损耗，该功能为分离电主轴的机械损耗和电磁损耗提供了试验基础[17]。变频器专用EMC输入/输出滤波器主要用于抑制变频器输入端对电网和输出端对其他数字设备产生的干扰。

2.2 润滑和冷却系统

油气润滑不仅具有润滑效果，还能吸收轴承产生的热量，可同时为轴承提供润滑和冷却，是一种先进的润滑技术[18]。通过油量控制器控制高压油泵的供油时间间隔可以有效控制供油量。通过调压阀可以有效调节供气压力，压力值由压力表显示。油气润滑系统的供油量和供气压力调控方便准确，为研究油气润滑参数对电主轴动态性能的影响和最佳油气润滑参数的选择提供了试验基础[19]。

高速电主轴的冷却方式主要包括油冷和水冷。由于水冷的冷却速度较快，因此试验电主轴采用循环水冷却。为了防止电主轴内部的循环水路生锈，必须在冷却循环水中添加防锈剂或切削液。

2.3 高速电主轴加载系统

2.3.1 动态扭矩的加载

为有效分析并检测高速电主轴的动态性能，高速动态加载测试是关键环节。针对电主轴动态扭矩加载的难题，根据磁流变液的剪切原理，设计了高速电主轴动态扭矩加载系统，磁流变液加载器结构如图4所示。

1—端盖；2—平键；3—扭矩传感器；4—轴承；5—轴承座；6—防松螺母；7—支承座；8—基座；9—传动轴；10—O形密封圈；11—水套；12—线圈；13—左壳体；14—U形筒管轴；15—加载盘；16—右壳体；17—油封；18—温度传感器(PT100)；19—刀柄轴。

磁流变液加载器主要由壳体和加载盘组成，两者作为2个极板，其间充满了磁流变液。当线圈不通电时，磁流变液保持其流动性，不影响电主轴的回转运动，此时磁流变液加载器所传递的转矩仅为较小的黏性阻尼转矩；当线圈通电后，在空腔内产生磁场，磁流变液中的磁性固体粒子被磁化并沿着磁力线方向呈链状分布，这种链状结构使磁流变液的剪切应力增大，表现出塑性体的特征，电主轴带动加载盘转动并剪切磁流变液中的链状结构，从而加大转动阻力，并起到加载作用，此时磁流变液加载器所传递的转矩主要来源于流变效应引起的剪切阻尼转矩，其远远超过黏性阻尼转矩，且可以通过调节磁感应强度对其进行控制。基于作用力与反作用力相等的原理，将加载盘受到转矩的反作用力通过传动轴传递给静态扭矩传感器，可以将动态扭矩转化为静态扭矩以方便测量。轴承座与支承座之间是螺纹连接，通过旋转轴承座调节加载盘在空腔中的位置，目的是保证左右间隙相等，防止单侧较大的间隙削弱磁感应强度，轴承座与支承座的相对位置可通过反向旋紧防松螺母进行固定。水套与左壳体之间构成密封水路，对加载器进行循环水冷，带走大量剪切热。

2.3.2 径向力和轴向力的动态加载

针对电主轴径向力和轴向力动态加载的难题，根据高压水射流冲击原理，设计了基于高压水射流的高速电主轴柔性加载系统，如图5所示。加载棒采用类似刀柄的方式安装在转子上，由圆柱形喷嘴形成的水柱直接冲击加载棒，实现径向力和轴向力的动态加载，高压球阀可控制单个支路的通断，实现径向力和轴向力的单独或联合加载。由于加载系统与电主轴系统无刚性接触，而且靶距误差对冲击力影响较小，因此加载系统对动平衡和安装精度要求较低，安装调试时间短，更适合高速加载。高压水射流技术相对成熟，冲击力稳定且可设计的较大，同时可以通过高压水射流主参数调控冲击力，因此该加载系统可以实现电主轴的稳定和定量加载。经喷嘴射向高速电主轴转子的水被防护罩收集，并储存在回收水箱内，由循环抽水泵抽回到蓄水箱内重复使用，可实现高速电主轴的长时加载。由于加载系统独立于电主轴系统，该加载系统可对各种型号电主轴进行动态加载，即该加载系统的通用性较强。

图5 基于高压水射流的高速电主轴柔性加载系统

2.4 动态性能指标测试

高速电主轴的温升、回转特性主要通过电主轴内部安装的温度传感器和电涡流传感器测量。

高速电主轴的输出特性是指输出转速和转矩特性，转速通过高速电主轴内的磁感应式编码器测量，转矩通过基于磁流变液的高速电主轴动态扭矩加载系统中的静态扭传感器测量，基于作用力与反作用力相等原理，将动态扭矩转化为静态扭矩方便测量[20]。

高速电主轴的电磁特性，即功率因素、功率、效率、电压、电流等主要通过三相电参数仪监测。

高速电主轴动态支承刚度的测试原理如图6所示。滑动立柱与固定在试验台上的基座构成滑动副，通过气缸推动滑动立柱向上移动，使得安装在滑动立柱上的轴承外圈与电主轴转子接触，实现加载。通过电气比例阀调节气缸气压调控径向加载力，布置油气润滑管道对加载接触位置进行冷却和润滑。采用电涡流传感器测量加载棒的位移变化量，采用力传感器测量加载力，传感器信号由数据采集系统同步采集。最终实现电主轴在高速旋转状态下的动态支承刚度测量。

图6 高速电主轴动态支承刚度测试原理示意图

3 高速电主轴动态性能试验

3.1 扭矩加载性能

试验过程中，电流的调整间隔为0.1 A，每个电流下的扭矩持续时间为20～30 s，以扭矩稳定后的平均值作为该电流下的加载扭矩值。转速6 000 r/min时电流与加载扭矩的试验数据如图7所示，转速在6 000～18 000 r/min范围内，加载器的加载扭矩与电流的关系如图8所示：加载扭矩随控制电流的增大呈非线性增大；但在相同电流下(即相同磁感应强度)，加载扭矩随转速的升高而降低，存在剪切稀化现象。因此，在实际使用时，需在标定试验结果(图8)的指导下，根据扭矩传感器的实时监测数据调整线圈电流，完成对电主轴的定量加载。由于磁流变液在高速剪切作用下消耗较大，磁流变液动态扭矩加载系统主要适用于电主轴在承载作用下的动态性能检测，不易用于其可靠性或寿命测试[20]。

图7 加载扭矩在转速6 000 r/min时的试验数据

图8 不同转速下加载扭矩与电流的关系

3.2 径向力和轴向力加载性能

标定高压水射流的冲击力有助于指导对高速电主轴的定量加载。标定原理是利用高压水射流直接冲击压力传感器，喷射压力范围为5～19 MPa，间隔为2.5 MPa，喷嘴直径为2.0，2.5和3.0 mm时的试验结果如图9所示：冲击力可以通过喷射压力方便且快速调控，较大的喷嘴直径会增大射流冲击力，但会降低射流的集束性。

图9 喷射压力对冲击力的影响

另外，试验发现电主轴的温升、功耗和振动在承载作用下更严重，空载测试不能反映电主轴的真实工况，使用高压水射流可以长时且稳定地对电主轴进行加载，从而能够有效地研究电主轴的动态性能和可靠性。

3.3 动态支承刚度

对电主轴进行动态径向刚度测试，加载力范围为150～450 N，转速范围为0～30 000 r/min，转速间隔为6 000 r/min。测得的径向加载力与位移变化量的关系如图10所示，对原始测量数据(蓝色曲线)进行低通滤波得到修正数据(绿色曲线)，通过多项式拟合得到加载力与位移变化量的对应关系(红色曲线)[10]，加载力对位移变化量求导即可得到转子的径向刚度。试验结果表明：转子的径向刚度随着转速的增大而降低，随着径向力的增大而增大[21]；动态支承刚度测试系统可以定量测量高速电主轴在转速高达30 000 r/min时的径向刚度，验证了该测试系统的可行性和有效性。

图10 不同转速下径向力与位移变化量的对应关系

3.4 机械摩擦损耗

在电主轴转速可测的前提下，提出了利用自由减速法测量电主轴机械摩擦力矩的试验方法[17]。试验中，待电主轴稳定运行后，使其自由减速停车，利用编码器测量转子在机械摩擦力矩作用下的自由减速过程，则电主轴的机械摩擦力矩[22]可表示为

(3)

式中：J为电主轴转子的转动惯量；ω，n分别为转子的角速度和转速；t为时间。

转速为24 000 r/min时，利用自由减速法得到的电主轴机械摩擦力矩如图11所示，拟合曲线p(t)与试验曲线n(t)基本一致。图11中蓝色切线y的斜率p'(t0)即为通过对拟合曲线p(t)求导得到的减速加速度，即dn/dt=p'(t0)。

图11 自由减速法所得轴承摩擦损耗(n0=24 000 r/min)

在电主轴电磁特性可测与变频器具备V/f完全分离功能的试验条件下，提出了利用能量平衡法测量电主轴机械摩擦损耗的试验方法[17]。试验中，在变频器输出频率不变的情况下(电主轴转速不变)，使定子端电压从1.2倍额定电压逐步减小，直至电主轴转速发生明显降低。通过三相电参数仪记录不同电压下电主轴的相电压、空载电流和空载功率。空载时，电主轴的输入功率P10全部用来克服定子铜耗PCu、铁耗PFe和机械损耗PΩ，因此有

P10-PCu=PFe+PΩ，

(4)

PCu=3I102R1，

式中：I10为空载电流；R1为定子电阻。

由于铁耗基本与相电压U1的平方成正比，而机械损耗仅与转速有关，因此将铁耗与机械损耗之和与相电压平方绘制成曲线PFe+PΩ=f(U12)，则该线近似为一条直线[23]。根据最小二乘法求出该直线在U1=0处的功率值，即机械损耗PΩ。主轴转速为24 000 r/min时，利用能量平衡法测量的电主轴机械摩擦损耗如图12所示。

图12 能量平衡法所得轴承摩擦损耗(n0=24 000 r/min)

对比上述2种试验方法可知：在电主轴转速可实时测量的条件下，自由减速法是简单有效测量机械摩擦力矩的方法；在电主轴转速不可测量时，将三相电参数仪独立并联到电主轴系统上，用能量平衡法可有效测量电主轴的机械摩擦损耗。

转速为18 000和27 000 r/min时，电主轴运行温度稳定后，通过增大压电陶瓷电源的输出电压，即增加压电陶瓷对后轴承座的推力，从而降低轴承的预紧力，压电陶瓷轴向推力对电主轴机械摩擦损耗的影响如图13所示，随着推力的增加(即预紧力的减小)，机械摩擦损耗显著减小。试验结果表明，预紧力在线调节装置能有效降低电主轴高速运行时的机械摩擦损耗和温升；自由减速法和能量平衡法测量的机械摩擦损耗基本一致，相互验证了2种试验方法的正确性和有效性。