陶瓷軸承電主軸的模態(tài)分析及其動(dòng)態(tài)性能實(shí)驗(yàn)

1、收稿日期:2007-10-31基金項(xiàng)目:教育部新世紀(jì)優(yōu)秀人才支持計(jì)劃項(xiàng)目(NCET -06-0297;遼寧省優(yōu)秀人才支持計(jì)劃項(xiàng)目(2006R043;沈陽(yáng)建筑大學(xué)省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)開放基金項(xiàng)目(2007-J X -02、(2006-J X -01作者簡(jiǎn)介:張珂(1969,男,教授,博士,主要從事精密加工、機(jī)電一體化研究.文章編號(hào):1671-2021(200803-0490-04陶瓷軸承電主軸的模態(tài)分析及其動(dòng)態(tài)性能實(shí)驗(yàn)張珂1,佟俊1,吳玉厚1,許芳1,任菊萍1,袁野2(11沈陽(yáng)建筑大學(xué)交通與機(jī)械工程學(xué)院,遼寧沈陽(yáng)110168;21際華三五二三特種裝備有限公司,遼寧沈陽(yáng)110026摘要:目的通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)室高速

2、精密磨床用陶瓷軸承電主軸的動(dòng)態(tài)特性的研究,驗(yàn)證電主軸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性.方法在Ansys 中建立了相應(yīng)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(duì)主軸部件進(jìn)行模態(tài)分析,計(jì)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(duì)陶瓷軸承電主軸進(jìn)行動(dòng)態(tài)響應(yīng)實(shí)驗(yàn).結(jié)果Ansys 的模態(tài)分析法得出的固有頻率與動(dòng)態(tài)響應(yīng)實(shí)驗(yàn)得出的頻率基本一致,主軸工作轉(zhuǎn)速遠(yuǎn)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(guò)模態(tài)分析法,可以看出Ansys 對(duì)電主軸的動(dòng)態(tài)仿真和計(jì)算有一定的指導(dǎo)意義,也為下一步的諧響應(yīng)分析打下基礎(chǔ).關(guān)鍵詞:陶瓷電主軸;Ansys ;模態(tài)分析;錘擊法中圖分類號(hào):TU

3、133133文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A 高速數(shù)控機(jī)床是裝備制造業(yè)的技術(shù)基礎(chǔ)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(jī)床的工作性能,首先取決于高速主軸.本實(shí)驗(yàn)室所用陶瓷電主軸是磨床的主要部件,其動(dòng)態(tài)特性的好壞直接關(guān)系到磨削的精度,關(guān)系到機(jī)床是否能安全可靠的工作,因此有必要對(duì)其進(jìn)行詳細(xì)的動(dòng)力學(xué)分析.目前軸承-主軸系統(tǒng)常用的動(dòng)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(jiǎn)單、所需內(nèi)存小等優(yōu)點(diǎn),但計(jì)算高階模態(tài)時(shí),計(jì)算精度將急劇下降;有限元法雖占用儲(chǔ)存空間大,計(jì)算速度慢,但卻有較高的計(jì)算精度1.能適應(yīng)各種復(fù)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(dòng)力學(xué)的一部分,也是動(dòng)力學(xué)分析的

4、起點(diǎn),為動(dòng)力學(xué)分析中的瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析、諧響應(yīng)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(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)或機(jī)床主要部件的振動(dòng)特性(固有頻率和主振型,是承受動(dòng)載荷機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)中的重要參數(shù).模態(tài)分析可以判斷出轉(zhuǎn)動(dòng)部件的轉(zhuǎn)速是否合理,機(jī)床部件有無(wú)薄弱環(huán)節(jié),據(jù)此數(shù)據(jù)可對(duì)機(jī)床部件進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì),使零部件滿足機(jī)床對(duì)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(duì)實(shí)驗(yàn)室2G DZ -型陶瓷電主軸進(jìn)行模態(tài)分析,檢驗(yàn)其設(shè)計(jì)的合理性,為諧響應(yīng)分析奠定基礎(chǔ).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(jī)械綜合性能.實(shí)驗(yàn)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(duì)溝道的幾何尺寸作了改進(jìn),這種軸承在減小了離心力的同時(shí),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(yáng)建筑大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版Journal of Shenyang Jianzhu University (Natural Science May 2008Vol 124,No 13實(shí)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(zhǎng)壽命等優(yōu)點(diǎn).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(jiǎn)化對(duì)電主軸來(lái)說(shuō),其徑向振動(dòng)是影響其動(dòng)態(tài)性能的主要因素.為了計(jì)算方便,對(duì)其進(jìn)行如下簡(jiǎn)化:將角接觸球軸承簡(jiǎn)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(fù)荷及轉(zhuǎn)速對(duì)軸承剛度的影響,視軸承剛度為定值;將電機(jī)的轉(zhuǎn)子及過(guò)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(diǎn)上1.每個(gè)軸承彈性支撐均由四個(gè)均布的彈簧組成,如圖1所示,每個(gè)彈簧用一個(gè)彈簧-阻尼單元Combin14模擬.在節(jié)點(diǎn)P 5、P 6、P 7、P 8上施加約束限制其軸向移動(dòng),在彈簧的另外一端(圖1中的P 1、P 2、 P 3、P 4四個(gè)節(jié)

7、點(diǎn)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(jiǎn)化模型圖212主軸的有限元建模為了真實(shí)、準(zhǔn)確、有效地對(duì)主軸單元進(jìn)行仿真分析,采用三維有限元建模.選用SOL ID45三維實(shí)體結(jié)構(gòu)單元對(duì)主軸進(jìn)行網(wǎng)格劃分,簡(jiǎn)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(chǔ)多自由度的運(yùn)動(dòng)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(diǎn)加速度向量;x (t 為節(jié)點(diǎn)速度向量;x (t 為節(jié)點(diǎn)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(guān),模態(tài)分析即是求解振動(dòng)系統(tǒng)的固有頻率和振型10.當(dāng)彈性體的動(dòng)力基本方程中的外力向量F (t =0時(shí),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(dòng)可以表達(dá)為各階固有振型的線性組合,其中低階固有振型較高階對(duì)結(jié)構(gòu)的振動(dòng)影響較大,越是低階影響越大,低階振型對(duì)結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)特性起決定作用.故采用Subspace 模態(tài)提取法計(jì)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(dòng)4212919二階彎曲5212919二階擺動(dòng)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(dòng),所以其振型表現(xiàn)為正交,可視為式(2的一對(duì)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(jī)床的加工精度和安全性,電主軸工作時(shí)最高轉(zhuǎn)速不能超過(guò)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(dòng)態(tài)性能實(shí)驗(yàn)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(yuǎn)遠(yuǎn)低于其一階臨界轉(zhuǎn)速,因此該電主軸設(shè)計(jì)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(dòng)態(tài)響應(yīng)的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證以本實(shí)驗(yàn)室2G DZ -型電主軸為對(duì)象,進(jìn)行其振動(dòng)響應(yīng)的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,采用錘擊法對(duì)主軸進(jìn)行敲擊實(shí)驗(yàn)5,圖5為錘擊法實(shí)驗(yàn)原理圖,加速度傳感器安裝在電主軸殼體前端,檢測(cè)的振動(dòng)加速度信號(hào)與主軸前端沖擊錘的力信號(hào)經(jīng)電荷放大器放大后進(jìn)入信號(hào)采集處理分析儀,計(jì)算機(jī)讀取數(shù)字信號(hào),再利用分析軟件進(jìn)行數(shù)字信號(hào)分析.圖5電主軸測(cè)振系統(tǒng)表2為錘擊法的實(shí)驗(yàn)條件,對(duì)主軸進(jìn)行單點(diǎn)響應(yīng),多點(diǎn)激勵(lì)的實(shí)驗(yàn),本實(shí)驗(yàn)的錘擊

11、點(diǎn)主要取3個(gè),分別是主軸前端,主軸中部和主軸后端,用力錘對(duì)每個(gè)測(cè)點(diǎn)敲擊5次,如圖6為沖擊力和主軸加速度的時(shí)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(hào)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(yīng)信號(hào)逐漸衰減,可知圖6沖擊力和加速度時(shí)域響應(yīng)分析圖準(zhǔn)確,與振動(dòng)理論相符,其所產(chǎn)生的振動(dòng)信號(hào)頻譜如圖7所示11.表 2 實(shí)驗(yàn)條件儀器名稱型號(hào)靈敏度量程廠家智能信號(hào)采集處理分析儀INV306DF 北京東方振動(dòng)和噪聲技術(shù)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(dòng)和

12、噪聲技術(shù)研究所力錘LC13014100×10-12C/N 5000N 朗斯測(cè)試技術(shù)有限公司力傳感器LC05013156×10-12C/N 5000N 朗斯測(cè)試技術(shù)有限公司加速度傳感器LC01010101V/m s -2490m s -2朗斯測(cè)試技術(shù)有限公司圖6沖擊力和加速度的時(shí)域響應(yīng)圖7電主軸振動(dòng)信號(hào)的頻譜492沈陽(yáng)建筑大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)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(dòng)頻率,實(shí)驗(yàn)得出一階頻率是106412Hz ,與ANSYS 理論計(jì)算的一階固有頻率117015Hz 相比略低,

13、這是因?yàn)樵诮NSYS 模型時(shí)采用了很多簡(jiǎn)化和理想的假設(shè),其中各個(gè)零件之間的配合剛度問(wèn)題和在建立模型過(guò)程中對(duì)過(guò)渡層和前后螺母、墊圈、密封圈等的省略,整個(gè)磨床動(dòng)態(tài)性能都能影響主軸動(dòng)態(tài)性能的測(cè)量,使其固有頻率降低.另外在測(cè)量時(shí),加速度傳感器本身的誤差及安裝誤差也對(duì)本實(shí)驗(yàn)有很大影響,這也給實(shí)驗(yàn)本身帶來(lái)了誤差15結(jié)論(1運(yùn)用有限元分析軟件ANSYS 對(duì)實(shí)驗(yàn)室的陶瓷軸承電主軸建立了仿真精確的三維建模.(2通過(guò)錘擊法實(shí)驗(yàn)對(duì)ANSYS 的分析結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證,誤差控制在10%以內(nèi),從而說(shuō)明在Ansys 中對(duì)模型的簡(jiǎn)化是合理的.(3通過(guò)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(yīng)分析奠定了基礎(chǔ)

14、.參考文獻(xiàn):1胡愛玲.高速電主軸動(dòng)靜態(tài)特性的有限元分析D .廣東:廣東工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院,2004.2郭大慶,吳玉厚.陶瓷軸承電主軸主軸的振動(dòng)模態(tài)分析J .機(jī)電產(chǎn)品開發(fā)與創(chuàng)新,2006(1:23-28.3劉國(guó)慶,楊慶東.ANSYS 工程應(yīng)用教程機(jī)械篇M .北京:中國(guó)鐵道出版社,2003.4廖伯瑜,周新民,尹志宏.現(xiàn)代機(jī)械動(dòng)力學(xué)及其工程應(yīng)用-建模、分析、仿真、修改、控制、優(yōu)化M .北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2003.5張耀滿,王旭東,蔡光起,等.高速機(jī)床有限元分析及其動(dòng)態(tài)性能試驗(yàn)J .組合機(jī)床與自動(dòng)化加工技術(shù),2004(12:561-566.6張世珍,劉炳業(yè),范晉偉,等.電主軸設(shè)計(jì)的幾個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題J

15、 .制造技術(shù)與機(jī)床,2005(8:364-368.7張珂,吳玉厚,張麗秀,等.陶瓷電主軸單元的振動(dòng)特性研究D .沈陽(yáng):沈陽(yáng)建筑大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院,2003.8Fu W N ,Liu Z J ,Bi C.A dynamic model of the disk drive spindle motor and its applications J .IEEE Transactions on Magnetics ,2002,38(2:153-158.9Lin Chiwei ,Jay F T ,Joe K amman.An integrated thermo -mechanical -dynamic mo

16、del to characterize motorized machine tool spindles during very high speed rotation J .International Journal of Machine Tools &Manufacture ,2003,43:1035-1050.10Lim S.Finite element analysis of flexural vibrations inhard disk drive spindle systemsJ .Journal of S ound and Vibration ,2000,233(4:601

17、-616.11Wang Sicheng.Review and Trend of solar photovolta 2ic technologyJ .International Power ,2006(4:21-23.Model Analysis and Dynamic Characteristic Experiment of theCeramic B earing Motorized SpindleZHA N G Ke 1,TON G J un 1,W U Y uhou 1,X U Fang 2,R EN J upi ng 1,Y UA N Ye2(11School of Communicat

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