基于阶次分析的木材加工高速电主轴振动试验研究

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1、基于阶次分析的木材加工高速电主轴振动试验研究DesignandResearch设计与研究基于阶次分析的木材加工高速电主轴振动试验研究Vibrationanalysisofwoodworkinghigh一-speedelectricspindlebasedonorderanalysis马春华，张伟，胡伟前,尚文端（1•国家林业局北京林业机械研究所2中国林科院林业新技术研究所）摘要:为研究木材加工高速电主轴在空载时随转速变化的振动情况,采用阶次分析法对电主轴前后轴承的振动进行试验研究•分析了前后轴承总振动加速度随不同转速的变化关系,并根据振动加速度

2、阶次分析的特征分量分布，初步识别了振动的主要频率成分•分析了电主轴的运行工况.关键词:阶次分析;高速电主轴;木材加工;振动屮图分类号:TS642Abstract:Inordertoanalyzethevibrationofwoodworkinghigh一speedelectricspindleinareaofworkingspeed,orderanalysisisappliedtotestthevibrationonfrOntandbackbearings,Thetestfirstlyanalysetherelationshipbetweent

3、otalvibrationandspindlespeed.Then,accordingtothedistributionofdominatingcomponents^thetestidentifytheprimaryfre—quenciesandcorrespondingvibrationeFurthermore.theworkingconditionsinwhichvi-brationhasapeakvaluearealsofound.Keywords:Orderanalysis;High一speedelectricspindle;Woodp

4、rocessing;Vibration弓I言参考依据.自振在电主轴的振动屮占有较大的比例，对于木材加工高速电主轴（以下简称电主轴），由于转速较高，更容易引起共振和自振，因此，对电主轴进行振动测试分析十分重要•电主轴空载时的振动主要是由高速转动引起的自振，其主要频率成分受电主轴不同转速的变化影响较大,因而釆用传统的频谱方法进行分析时，会产生明显的频率混叠现彖.阶次分析是一种有效的非稳态信号分析方法，可对产生谐波振动的旋转机械进行分析.本文釆用阶次分析法对电主轴空载状态的振动状况进行了测试试验，重点分析了电主轴转速对前后轴承振动的影响，从而为电主轴

5、的改进设计提供1,阶次分析的原理阶次分析方法源于角域采样理论•对于电主轴升，降速过程中的非稳态振动信号而言,若相对于转轴进行恒角度增量采样，则此时域非稳态信号在角度域是稳态信号，再对角度域稳态信号进行F变换则可以得到清晰的图谱，即阶次谱.阶次谱采用等高线方式描述，其x轴代表电主轴振动信号频率与电主轴转速基频之间的比值，即阶次,Y轴代表振动加速度，用亮度表示，亮度越大，振动加速度越高,第三轴z轴代表电主轴转速.与传统的频谱图相比,阶次谱可以精确跟踪电主轴工作转速范围内振动的各阶次特征分量.传统的FFT是阶次分析的基木工具,但要将基金项目:948技

6、术引进项目，项目编号:2006—4—101;中央级公益性科研院所基本科研业务费专项，项目编号CAFIN他009K09,CAFINT2008C14・木工机床2009NO.2设计与研究DesignandResearch它用于时变特征的振动的阶次追踪则较为困难，因为FFT的结果不包含时间信息,所以需要通过采用插值重采样将等时间采样转换到等角度采样来实现阶次分析•因此，阶次分析的关键是如何实现振动信号的等角度采样，等角度采样又称阶次采样或阶次追踪•阶次采样时，采样的触发间隔为电主轴每转过一定的角度的时间间隔•精确的阶次分析要求对振动信号进行等角度采样，

7、即釆样率的调整要与电主轴转速的变化一致，相当于对电主轴的转速值进行采样，从而保证在电主轴转动周期内的采样点数是恒定的.图1所示为阶次采样的实现过程•阶次采样包含两个采样过程,第一个过程是等时间问隔采样过程，在这个过程中，对原始的振动信号和转速脉冲信号分两路以恒定的采样率进行等时间间隔采样，得到同步采样信号•阶次分析时，为提高采样精度，其等时间间隔采样一般采用过采样技术，即以远远高于奈奎斯特Nyquist采样频率的频率对信号进行采样，并辅以适当的数字滤波器，以达到比原A/D模数转换器更高的采样精度.第二个过程是插值重采样过程，其过程是根据转速脉冲

8、序列进行转速估计，然后利用此估计转速计算等角度采样发生的吋刻序列，在等角度采样吋刻附近的时间区间内对同步采样的原始振动信号进行插值重采样，从而得到阶次