陶瓷軸承電主軸的模態(tài)分析及其動態(tài)性能實驗

1、收稿日期:2007-10-31基金項目:教育部新世紀優(yōu)秀人才支持計劃項目(NCET -06-0297;遼寧省優(yōu)秀人才支持計劃項目(2006R043;沈陽建筑大學省重點實驗開放基金項目(2007-J X -02、(2006-J X -01作者簡介:張珂(1969,男,教授,博士,主要從事精密加工、機電一體化研究.文章編號:1671-2021(200803-0490-04陶瓷軸承電主軸的模態(tài)分析及其動態(tài)性能實驗張珂1,佟俊1,吳玉厚1,許芳1,任菊萍1,袁野2(11沈陽建筑大學交通與機械工程學院,遼寧沈陽110168;21際華三五二三特種裝備有限公司,遼寧沈陽110026摘要:目的通過對實驗室高速

2、精密磨床用陶瓷軸承電主軸的動態(tài)特性的研究,驗證電主軸結(jié)構(gòu)設計的合理性.方法在Ansys 中建立了相應的軸承-主軸系統(tǒng)三維有限元模型,采用了Subspace 模態(tài)提取法對主軸部件進行模態(tài)分析,計算主軸前5階固有頻率、振型和臨界轉(zhuǎn)速,并利用錘擊法對陶瓷軸承電主軸進行動態(tài)響應實驗.結(jié)果Ansys 的模態(tài)分析法得出的固有頻率與動態(tài)響應實驗得出的頻率基本一致,主軸工作轉(zhuǎn)速遠離其臨界轉(zhuǎn)速,能有效避開共振區(qū),保證了磨床的磨削精度.結(jié)論通過模態(tài)分析法,可以看出Ansys 對電主軸的動態(tài)仿真和計算有一定的指導意義,也為下一步的諧響應分析打下基礎.關鍵詞:陶瓷電主軸;Ansys ;模態(tài)分析;錘擊法中圖分類號:TU

3、133133文獻標識碼:A 高速數(shù)控機床是裝備制造業(yè)的技術基礎和發(fā)展方向之一,是裝備制造業(yè)的戰(zhàn)略性產(chǎn)業(yè),高速數(shù)控機床的工作性能,首先取決于高速主軸.本實驗室所用陶瓷電主軸是磨床的主要部件,其動態(tài)特性的好壞直接關系到磨削的精度,關系到機床是否能安全可靠的工作,因此有必要對其進行詳細的動力學分析.目前軸承-主軸系統(tǒng)常用的動力分析方法有傳遞矩陣法和有限元法:傳遞矩陣法具有程序簡單、所需內(nèi)存小等優(yōu)點,但計算高階模態(tài)時,計算精度將急劇下降;有限元法雖占用儲存空間大,計算速度慢,但卻有較高的計算精度1.能適應各種復雜形狀,因而成為行之有效的工程分析手段2-9.模態(tài)分析是屬于動力學的一部分,也是動力學分析的

4、起點,為動力學分析中的瞬態(tài)動力學分析、諧響應分析、譜分析提供了最基本的分析數(shù)據(jù).模態(tài)分析研究的主要內(nèi)容是確定設計結(jié)構(gòu)或機床主要部件的振動特性(固有頻率和主振型,是承受動載荷機構(gòu)設計中的重要參數(shù).模態(tài)分析可以判斷出轉(zhuǎn)動部件的轉(zhuǎn)速是否合理,機床部件有無薄弱環(huán)節(jié),據(jù)此數(shù)據(jù)可對機床部件進行優(yōu)化設計,使零部件滿足機床對加工質(zhì)量和加工精度的要求2.筆者采用有限元分析軟件Ansys 對實驗室2G DZ -型陶瓷電主軸進行模態(tài)分析,檢驗其設計的合理性,為諧響應分析奠定基礎.1陶瓷球軸承電主軸陶瓷球軸承電主軸是用陶瓷球軸承做主軸支撐組裝的高速電主軸.陶瓷材料有許多種,其成分、顯微組織和性能各不相同.業(yè)已證明,用

5、于軸承的氮化硅材料具有最好的物理、機械綜合性能.實驗室電主軸采用混合陶瓷球軸承做主軸支撐,即用氮化硅材料(Si 3N 4做成陶瓷球做滾珠,軸承內(nèi)外套圈仍為鋼套圈.雖然只是把鋼球變成了氮化硅球,但由于對溝道的幾何尺寸作了改進,這種軸承在減小了離心力的同時,也減小了滾珠與滾道間的摩擦力,從而獲得較低的溫升及較好的高速性能7.2008年5月第24卷第3期沈陽建筑大學學報(自然科學版Journal of Shenyang Jianzhu University (Natural Science May 2008Vol 124,No 13實踐證明,用混合陶瓷球軸承組裝的高速電主軸,能兼得高速、高剛度、大功

6、率、長壽命等優(yōu)點.2軸承-主軸系統(tǒng)有限元模型建立211主軸部件的結(jié)構(gòu)簡化對電主軸來說,其徑向振動是影響其動態(tài)性能的主要因素.為了計算方便,對其進行如下簡化:將角接觸球軸承簡化為彈性支承,忽略其角剛度和軸向剛度,只考慮其徑向剛度;忽略軸承負荷及轉(zhuǎn)速對軸承剛度的影響,視軸承剛度為定值;將電機的轉(zhuǎn)子及過盈套等效為同密度軸材料,作為主軸的附加分布質(zhì)量,等效到所在單元的節(jié)點上1.每個軸承彈性支撐均由四個均布的彈簧組成,如圖1所示,每個彈簧用一個彈簧-阻尼單元Combin14模擬.在節(jié)點P 5、P 6、P 7、P 8上施加約束限制其軸向移動,在彈簧的另外一端(圖1中的P 1、P 2、 P 3、P 4四個節(jié)

7、點為完全固接3,取軸承的剛度5×107N/m ,前軸承阻尼為1170N s/m ,后軸承阻尼為765N s/m 4.圖1主軸支承簡化模型圖212主軸的有限元建模為了真實、準確、有效地對主軸單元進行仿真分析,采用三維有限元建模.選用SOL ID45三維實體結(jié)構(gòu)單元對主軸進行網(wǎng)格劃分,簡化后的主軸三維有限元模型如圖2所示.3模態(tài)分析311模態(tài)分析的理論基礎多自由度的運動微分方程為Mx ¨(t +Cx (t + Kx (t =F (t .(1式中:M 、K 、C 分別為總體質(zhì)量、剛度、阻尼矩陣:x ¨(t 為節(jié)點加速度向量;x (t 為節(jié)點速度向量;x (t 為節(jié)點位移

8、向量;F (t 為整體載荷向量.圖2主軸的三維有限元模型固有頻率也稱自然頻率,只與系統(tǒng)本身的特性(質(zhì)量、剛度和阻尼有關,模態(tài)分析即是求解振動系統(tǒng)的固有頻率和振型10.當彈性體的動力基本方程中的外力向量F (t =0時,便可得系統(tǒng)的微分方程:Mx ¨(t +Cx (t +Kx (t =0.(2求解主軸的固有頻率和振型,即求解式(2的廣義特征值和特征向量.312模態(tài)分析求解結(jié)構(gòu)的振動可以表達為各階固有振型的線性組合,其中低階固有振型較高階對結(jié)構(gòu)的振動影響較大,越是低階影響越大,低階振型對結(jié)構(gòu)的動態(tài)特性起決定作用.故采用Subspace 模態(tài)提取法計算了主軸的前5階固有頻率和振型如表1所示

9、.表1主軸的各階固有頻率和振型階次頻率/Hz振型10扭轉(zhuǎn)2117015一階彎曲3117015一階擺動4212919二階彎曲5212919二階擺動由表1可見,二、三階固有頻率相等,振型分別為一階彎曲和一階擺動,所以其振型表現(xiàn)為正交,可視為式(2的一對重根;同理,四、五階也是如此1圖3和圖4分別表示主軸一階彎曲和二階彎曲,可以看出由Ansys 做主軸模態(tài)分析,可得到很好的空間仿真效果.為保證機床的加工精度和安全性,電主軸工作時最高轉(zhuǎn)速不能超過其一階臨界轉(zhuǎn)速的75%6.從表1可以看出,本文中電主軸的一階臨第24卷張珂等:陶瓷軸承電主軸的模態(tài)分析及其動態(tài)性能實驗491界轉(zhuǎn)速為60×11701

10、5=70230r/min ,而其最高工作轉(zhuǎn)速為30000r/min ,遠遠低于其一階臨界轉(zhuǎn)速,因此該電主軸設計合理,能有效避開共振區(qū),保證了主軸的加工精度 .圖3第2 階振型圖4第 4階振型4電主軸動態(tài)響應的實驗驗證以本實驗室2G DZ -型電主軸為對象,進行其振動響應的實驗驗證,采用錘擊法對主軸進行敲擊實驗5,圖5為錘擊法實驗原理圖,加速度傳感器安裝在電主軸殼體前端,檢測的振動加速度信號與主軸前端沖擊錘的力信號經(jīng)電荷放大器放大后進入信號采集處理分析儀,計算機讀取數(shù)字信號,再利用分析軟件進行數(shù)字信號分析.圖5電主軸測振系統(tǒng)表2為錘擊法的實驗條件,對主軸進行單點響應,多點激勵的實驗,本實驗的錘擊

11、點主要取3個,分別是主軸前端,主軸中部和主軸后端,用力錘對每個測點敲擊5次,如圖6為沖擊力和主軸加速度的時間歷程8,沖擊錘加在主軸前端的沖擊力為136N ,力錘與主軸接觸瞬間,產(chǎn)生很大的沖擊力,之后沖擊力信號很快衰減,而主軸在受到力錘的沖擊之后,瞬間獲得很大的加速度,而后響應信號逐漸衰減,可知圖6沖擊力和加速度時域響應分析圖準確,與振動理論相符,其所產(chǎn)生的振動信號頻譜如圖7所示11.表 2 實驗條件儀器名稱型號靈敏度量程廠家智能信號采集處理分析儀INV306DF 北京東方振動和噪聲技術研究所雙通道電荷放大器DL F -3(110210120×10-12C/(m s -2北京東方振動和

12、噪聲技術研究所力錘LC13014100×10-12C/N 5000N 朗斯測試技術有限公司力傳感器LC05013156×10-12C/N 5000N 朗斯測試技術有限公司加速度傳感器LC01010101V/m s -2490m s -2朗斯測試技術有限公司圖6沖擊力和加速度的時域響應圖7電主軸振動信號的頻譜492沈陽建筑大學學報(自然科學版第24卷圖7中106412Hz 、2278197Hz 、4269101Hz 分別為主軸的前三階頻率,其余的波峰為電磁噪聲的干擾振動頻率,實驗得出一階頻率是106412Hz ,與ANSYS 理論計算的一階固有頻率117015Hz 相比略低,

13、這是因為在建立ANSYS 模型時采用了很多簡化和理想的假設,其中各個零件之間的配合剛度問題和在建立模型過程中對過渡層和前后螺母、墊圈、密封圈等的省略,整個磨床動態(tài)性能都能影響主軸動態(tài)性能的測量,使其固有頻率降低.另外在測量時,加速度傳感器本身的誤差及安裝誤差也對本實驗有很大影響,這也給實驗本身帶來了誤差15結(jié)論(1運用有限元分析軟件ANSYS 對實驗室的陶瓷軸承電主軸建立了仿真精確的三維建模.(2通過錘擊法實驗對ANSYS 的分析結(jié)果進行了驗證,誤差控制在10%以內(nèi),從而說明在Ansys 中對模型的簡化是合理的.(3通過模態(tài)分析,得到了電主軸的各階固有頻率和振型,為下一步的諧響應分析奠定了基礎

14、.參考文獻:1胡愛玲.高速電主軸動靜態(tài)特性的有限元分析D .廣東:廣東工業(yè)大學機械工程學院,2004.2郭大慶,吳玉厚.陶瓷軸承電主軸主軸的振動模態(tài)分析J .機電產(chǎn)品開發(fā)與創(chuàng)新,2006(1:23-28.3劉國慶,楊慶東.ANSYS 工程應用教程機械篇M .北京:中國鐵道出版社,2003.4廖伯瑜,周新民,尹志宏.現(xiàn)代機械動力學及其工程應用-建模、分析、仿真、修改、控制、優(yōu)化M .北京:機械工業(yè)出版社,2003.5張耀滿,王旭東,蔡光起,等.高速機床有限元分析及其動態(tài)性能試驗J .組合機床與自動化加工技術,2004(12:561-566.6張世珍,劉炳業(yè),范晉偉,等.電主軸設計的幾個關鍵問題J

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18、ion and Mech.,Shenyang Jianzhu University ,Shenyang China ,110168;21J IHUA 3523S pecial E 2quipment CO.,Ltd ,Shenyang China ,110026Abstract :This paper analysed the dynamic characteristics of the ceramic bearing motorized spindle used in the grinder of the laboratory ,and the result verified the rat

19、ionality of the design structure of the motorized spindle ,a 3D FEM of bearing -spindle system was built in Ansys ,calculated the first five sets natural fre 2quency ,vibration mode and limited speed by the method of Subspace ,and did dynamic response experiment with the method of hammer excitation.Natural frequency resulted from modal analysis method of Ansys was b