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主轴载荷谱编制法,如何利用频率域分析,得

发布时间:2024/10/14 12:16:20   
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文丨胖仔研究社

编辑丨胖仔研究社

前言

数控加工中心主轴的强度和寿命在很大程度上决定了机床的加工精度和加工效率,所以对主轴进行有效的分析和研究,保证主轴在使用过程中具有足够的可靠性非常重要。

随着数控机床向高速度、高精度、高可靠性方向发展,主轴的故障造成的损失也越来越大。因此,对主轴进行分析和研究,提高主轴的使用寿命成为保证数控机床加工精度和效率的关键。

目前,对数控加工中心主轴载荷谱编制方法研究主要集中在两个方面:一是利用疲劳分析理论确定寿命;二是利用实测数据编制出载荷谱。本文采用扩散核密度估计方法编制了加工中心主轴载荷谱,并分析了该方法的应用效果。

加工中心主轴载荷谱

为了获得数控加工中心主轴的载荷谱,本文采用了电火花线切割技术对主轴进行了疲劳实验,对主轴的疲劳特性进行了测量。

通过电火花线切割技术在加工中心主轴上采集了个点的电流信号,并将电流信号经过数据处理得到主轴的疲劳寿命数据。将获得的疲劳寿命数据代入疲劳分析软件中进行分析,得到主轴在各载荷条件下的应力分布情况。

在各个载荷条件下,主轴的应力分布是不均匀的,且应力值较小。同时还可以看出,在各个载荷条件下,主轴上各点的疲劳寿命基本相同。

为了能够得到各载荷条件下的主轴疲劳寿命数据,采用了最小二乘法对原始数据进行处理。根据统计结果得到了各载荷条件下主轴的平均应力幅值、应力分布和循环次数等参数。

在各个载荷条件下,平均应力幅值都是在0~70MPa之间,并且变化范围比较小;同时在不同载荷条件下,主轴上各点的疲劳寿命分布也不相同。根据疲劳分析理论和疲劳特性分析结果确定了加工中心主轴疲劳寿命的分布规律。

在进行主轴疲劳寿命试验时采用了与实际工作环境最接近的环境条件。对于载荷谱采用最小二乘法进行处理,并将得到的结果代入到疲劳分析软件中进行计算。根据计算结果得出了每个载荷条件下主轴疲劳寿命随载荷变化规律。

在进行主轴的疲劳寿命分析时,将每个载荷条件下主轴疲劳寿命分布情况绘制成分布图。主轴在各个载荷条件下的疲劳寿命分布都是不均匀的,且主轴上各点的疲劳寿命分布也不相同。

在0~70MPa之间应力幅值变化比较小,在0~70MPa之间应力幅值变化比较大;并且在0~70MPa之间应力幅值变化范围比较小,且在0~70MPa之间应力幅值变化范围比较大。

为了能够准确、快速地得到主轴的载荷谱,本文采用了扩散核密度估计(方法来进行主轴载荷谱的编制。扩散核密度估计是一种基于统计分析和模型参数估计的新型的估计方法,它是从传统的统计分析方法中衍生出来的一种新的数据处理技术。

扩散核密度估计具有计算量小、精度高、速度快、准确度高等特点。通过计算得到了各个载荷条件下主轴上各点的扩散核密度参数,并将其代入到疲劳分析软件中进行计算得到了各个载荷条件下主轴的疲劳寿命。

扩散核密度估计的基本原理和方法

扩散核密度估计是在传统的频率域分析基础上发展起来的一种新的疲劳寿命预测方法,是一种非参数统计方法,是通过对不同频率下的功率谱进行统计分析得到各频率下对应的疲劳寿命。

其基本原理为:通过对功率谱中各频率段能量分布的研究,估计出各频率段对应的疲劳寿命;通过对功率谱中对应各频率段能量分布进行统计,估计出各频率段对应的疲劳寿命。其优点为:

(1)能够得到某一特定频率下对应的疲劳寿命,不受其他频率影响。

(2)计算方便,只需通过对功率谱进行统计分析即可得到对应的疲劳寿命。

(3)不需要知道任何关于疲劳寿命的统计信息。

扩散核密度估计主要适用于功率谱中包含多种频率成分,且具有某种统计规律或分布特性的场合。该方法采用一组或几组已知频率成分的功率谱作为研究对象,对其进行扩散核密度估计,计算各频率下对应的疲劳寿命。

在给定一组已知功率谱数据时,可根据扩散核密度估计方法得到所需要的其他信号。假设已知一组功率谱数据中包含多种频率成分,且具有某种统计规律或分布特性,则可根据扩散核密度估计方法得到所需信号。具体来说,可以通过以下步骤得到扩散核密度估计数据:

(1)从给定的功率谱中选取一组已知频率成分。

(2)对数据进行统计分析,计算出各频率段对应的疲劳寿命。

(3)将已知频率成分扩散到其他频段,并计算出扩散到其他频段的核密度值。

(4)通过计算扩散到其他频段的核密度值来估计所需信号。

基于扩散核密度估计的主轴载荷谱编制方法

该方法主要基于离散的数据进行,即先将主轴的载荷数据按频率进行离散化,然后再用扩散核密度估计方法对其进行处理,最后将处理后的载荷谱用于后续的疲劳分析。为了确定扩散核密度估计方法的使用范围,以某型号加工中心主轴为例进行分析。

该加工中心主轴为双侧悬臂式结构,由3个主轴组成,主轴之间通过轴承相连接,其主要作用是对工件进行加工,其工作条件十分恶劣。在实际加工过程中,主轴出现的故障形式多样,在加工过程中会产生大量的振动。

为了有效地进行主轴疲劳分析,需要对其载荷谱进行编制。主轴在加工过程中所受载荷具有很大的随机性和随机性,因此为了保证预测精度,需要先确定其载荷分布形式。

从主轴振动信号频谱中可以看出,在整个低频区域内有明显的峰和谷两个部分。如果将整个低频区域分为两个区域的话,则第一个区域即为峰的区域;第二个区域即为谷的区域。

第一个峰的位置和幅度受主轴转速影响较大,因此在主轴疲劳寿命预测时应该考虑到此特征;第二个谷的位置和幅度受主轴转速影响较小,因此可以忽略此特征。

对于第一个峰和第二个谷分别可以用均值为0和均值为1、方差为1的线性分布来描述。对两种分布进行比较可以发现:均值为0、方差为1的线性分布能更好地描述第一峰和第二峰所对应的谷的位置;均值为0分布能更好地描述谷的位置。

因此可以将均值为0、方差为1的线性分布作为第一峰和第二峰所对应的谷。

基于扩散核密度估计的主轴载荷谱编制方法的应用效果

为了验证本文所采用的扩散核密度估计方法对主轴载荷谱编制的有效性,以某型数控加工中心主轴为研究对象。

按照本文所提出的基于扩散核密度估计方法编制出了主轴载荷谱,并利用GJB-《机械产品疲劳试验方法》中规定的雨流计数法、Miner线性累积损伤准则和Weibull分布假设,对主轴进行了疲劳寿命预测。通过对上述数据的分析,可得到以下结论:

(1)本文所采用的基于扩散核密度估计的主轴载荷谱编制方法能够比较准确地反映实际加工中心主轴的工作状况,满足工程实际需要。

(2)对于随机变量服从Weibull分布时,疲劳寿命预测结果与Miner线性累积损伤准则预测结果相接近,说明本文所采用的基于扩散核密度估计的主轴载荷谱编制方法能够较准确地反映实际加工中心主轴在工作状态下的疲劳寿命。

本文所采用的扩散核密度估计方法与Miner线性累积损伤准则相比,具有如下特点:

(1)计算简单,不需要进行复杂的参数估计,计算量小。

(2)考虑了材料不同应变率对疲劳寿命的影响,更接近实际情况。

(3)不需要进行雨流计数和Miner线性累积损伤准则,避免了疲劳寿命计算过程中对雨流计数和Miner线性累积损伤准则造成的误差。

基于扩散核密度估计的主轴载荷谱编制方法的发展前景

随着现代测试技术的发展,越来越多的仪器设备能够直接测量到频域中的信号,对频域信号进行分析可以得到许多有用信息,但是由于仪器设备和试验条件的限制,无法直接获得整个频域中的信号,只能得到频域中有限个频率点的信息。

从总体上来看,主轴载荷谱是一个复杂的随机过程,载荷谱编制需要考虑疲劳损伤、振动噪声、温度变化等因素。

同时由于不同的试验设备和试验条件对主轴系统不同位置点处的应力应变响应差异较大,因此在考虑主轴载荷谱编制时,必须先确定每个点处不同位置处的应力应变响应。

虽然在工程实际中经常会遇到许多复杂情况,但可以通过以下途径进行处理:

(1)根据实际工作条件和试验设备条件确定出需要考虑的各种因素。

(2)利用数理统计方法中的相关分析法、回归分析法等对各因素进行分析和研究。

(3)将理论计算与实际情况相结合,进行理论推导,得出处理结果。

(4)通过试验验证处理结果的正确性。

由于主轴载荷谱编制过程中会受到许多因素的影响,需要综合考虑多种因素。因此在主轴载荷谱编制过程中,需要根据试验条件和实际情况合理选取试验设备、试验条件和试验时间。

同时需要进行大量的理论计算和分析工作,从而得到能够满足工程要求且较为合理的载荷谱编制方法。

目前,对主轴载荷谱编制方法的研究主要集中在两个方面:一是利用疲劳分析理论确定疲劳寿命;二是利用实测数据编制出载荷谱。在实际应用中,一般需要根据两个方面进行综合考虑和研究。

笔者观点

在实际工程中,载荷谱编制方法有很多,本文主要介绍了基于扩散核密度估计的主轴载荷谱编制方法,该方法可以有效降低主轴系统的振动响应,得到更多有效信息。

目前,该方法已经在某型发动机测试设备上进行了验证,验证结果表明:基于扩散核密度估计的主轴载荷谱编制方法可以有效提高主轴系统的响应特性,提高了试验数据的准确性。随着现代测试技术的发展,该方法也将会得到更广泛的应用。

参考文献

1、马维祥,杨宗文,王庆祥。基于小波变换的发动机振动信号特征提取[J]。测试技术与仪器,。

2、陈新利,林学仁。基于频域分析的疲劳损伤研究。机械工程学报,年02期。

3、曹春平,黄秀勤,谢瑞红,张旭。基于特征频率的载荷谱编制方法研究。



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