陶瓷轴承电主轴的模态分析及其动态性能实验

1、收稿日期:2007-10-31基金项目:教育部新世纪优秀人才支持计划项目(NCET -06-0297;辽宁省优秀人才支持计划项目(2006R043;沈阳建筑大学省重点实验开放基金项目(2007-J X -02、(2006-J X -01作者简介:张珂(1969,男,教授,博士,主要从事精密加工、机电一体化研究.文章编号:1671-2021(200803-0490-04陶瓷轴承电主轴的模态分析及其动态性能实验张珂1,佟俊1,吴玉厚1,许芳1,任菊萍1,袁野2(11沈阳建筑大学交通与机械工程学院,辽宁沈阳110168;21际华三五二三特种装备有限公司,辽宁沈阳110026摘要:目的通过对实验室高速

2、精密磨床用陶瓷轴承电主轴的动态特性的研究,验证电主轴结构设计的合理性.方法在Ansys 中建立了相应的轴承-主轴系统三维有限元模型,采用了Subspace 模态提取法对主轴部件进行模态分析,计算主轴前5阶固有频率、振型和临界转速,并利用锤击法对陶瓷轴承电主轴进行动态响应实验.结果Ansys 的模态分析法得出的固有频率与动态响应实验得出的频率基本一致,主轴工作转速远离其临界转速,能有效避开共振区,保证了磨床的磨削精度.结论通过模态分析法,可以看出Ansys 对电主轴的动态仿真和计算有一定的指导意义,也为下一步的谐响应分析打下基础.关键词:陶瓷电主轴;Ansys ;模态分析;锤击法中图分类号:TU

3、133133文献标识码:A 高速数控机床是装备制造业的技术基础和发展方向之一,是装备制造业的战略性产业,高速数控机床的工作性能,首先取决于高速主轴.本实验室所用陶瓷电主轴是磨床的主要部件,其动态特性的好坏直接关系到磨削的精度,关系到机床是否能安全可靠的工作,因此有必要对其进行详细的动力学分析.目前轴承-主轴系统常用的动力分析方法有传递矩阵法和有限元法:传递矩阵法具有程序简单、所需内存小等优点,但计算高阶模态时,计算精度将急剧下降;有限元法虽占用储存空间大,计算速度慢,但却有较高的计算精度1.能适应各种复杂形状,因而成为行之有效的工程分析手段2-9.模态分析是属于动力学的一部分,也是动力学分析的

4、起点,为动力学分析中的瞬态动力学分析、谐响应分析、谱分析提供了最基本的分析数据.模态分析研究的主要内容是确定设计结构或机床主要部件的振动特性(固有频率和主振型,是承受动载荷机构设计中的重要参数.模态分析可以判断出转动部件的转速是否合理,机床部件有无薄弱环节,据此数据可对机床部件进行优化设计,使零部件满足机床对加工质量和加工精度的要求2.笔者采用有限元分析软件Ansys 对实验室2G DZ -型陶瓷电主轴进行模态分析,检验其设计的合理性,为谐响应分析奠定基础.1陶瓷球轴承电主轴陶瓷球轴承电主轴是用陶瓷球轴承做主轴支撑组装的高速电主轴.陶瓷材料有许多种,其成分、显微组织和性能各不相同.业已证明,用

5、于轴承的氮化硅材料具有最好的物理、机械综合性能.实验室电主轴采用混合陶瓷球轴承做主轴支撑,即用氮化硅材料(Si 3N 4做成陶瓷球做滚珠,轴承内外套圈仍为钢套圈.虽然只是把钢球变成了氮化硅球,但由于对沟道的几何尺寸作了改进,这种轴承在减小了离心力的同时,也减小了滚珠与滚道间的摩擦力,从而获得较低的温升及较好的高速性能7.2008年5月第24卷第3期沈阳建筑大学学报(自然科学版Journal of Shenyang Jianzhu University (Natural Science May 2008Vol 124,No 13实践证明,用混合陶瓷球轴承组装的高速电主轴,能兼得高速、高刚度、大功

6、率、长寿命等优点.2轴承-主轴系统有限元模型建立211主轴部件的结构简化对电主轴来说,其径向振动是影响其动态性能的主要因素.为了计算方便,对其进行如下简化:将角接触球轴承简化为弹性支承,忽略其角刚度和轴向刚度,只考虑其径向刚度;忽略轴承负荷及转速对轴承刚度的影响,视轴承刚度为定值;将电机的转子及过盈套等效为同密度轴材料,作为主轴的附加分布质量,等效到所在单元的节点上1.每个轴承弹性支撑均由四个均布的弹簧组成,如图1所示,每个弹簧用一个弹簧-阻尼单元Combin14模拟.在节点P 5、P 6、P 7、P 8上施加约束限制其轴向移动,在弹簧的另外一端(图1中的P 1、P 2、 P 3、P 4四个节

7、点为完全固接3,取轴承的刚度5×107N/m ,前轴承阻尼为1170N s/m ,后轴承阻尼为765N s/m 4.图1主轴支承简化模型图212主轴的有限元建模为了真实、准确、有效地对主轴单元进行仿真分析,采用三维有限元建模.选用SOL ID45三维实体结构单元对主轴进行网格划分,简化后的主轴三维有限元模型如图2所示.3模态分析311模态分析的理论基础多自由度的运动微分方程为Mx ¨(t +Cx (t + Kx (t =F (t .(1式中:M 、K 、C 分别为总体质量、刚度、阻尼矩阵:x ¨(t 为节点加速度向量;x (t 为节点速度向量;x (t 为节点位移

8、向量;F (t 为整体载荷向量.图2主轴的三维有限元模型固有频率也称自然频率,只与系统本身的特性(质量、刚度和阻尼有关,模态分析即是求解振动系统的固有频率和振型10.当弹性体的动力基本方程中的外力向量F (t =0时,便可得系统的微分方程:Mx ¨(t +Cx (t +Kx (t =0.(2求解主轴的固有频率和振型,即求解式(2的广义特征值和特征向量.312模态分析求解结构的振动可以表达为各阶固有振型的线性组合,其中低阶固有振型较高阶对结构的振动影响较大,越是低阶影响越大,低阶振型对结构的动态特性起决定作用.故采用Subspace 模态提取法计算了主轴的前5阶固有频率和振型如表1所示

9、.表1主轴的各阶固有频率和振型阶次频率/Hz振型10扭转2117015一阶弯曲3117015一阶摆动4212919二阶弯曲5212919二阶摆动由表1可见,二、三阶固有频率相等,振型分别为一阶弯曲和一阶摆动,所以其振型表现为正交,可视为式(2的一对重根;同理,四、五阶也是如此1图3和图4分别表示主轴一阶弯曲和二阶弯曲,可以看出由Ansys 做主轴模态分析,可得到很好的空间仿真效果.为保证机床的加工精度和安全性,电主轴工作时最高转速不能超过其一阶临界转速的75%6.从表1可以看出,本文中电主轴的一阶临第24卷张珂等:陶瓷轴承电主轴的模态分析及其动态性能实验491界转速为60×11701

10、5=70230r/min ,而其最高工作转速为30000r/min ,远远低于其一阶临界转速,因此该电主轴设计合理,能有效避开共振区,保证了主轴的加工精度 .图3第2 阶振型图4第 4阶振型4电主轴动态响应的实验验证以本实验室2G DZ -型电主轴为对象,进行其振动响应的实验验证,采用锤击法对主轴进行敲击实验5,图5为锤击法实验原理图,加速度传感器安装在电主轴壳体前端,检测的振动加速度信号与主轴前端冲击锤的力信号经电荷放大器放大后进入信号采集处理分析仪,计算机读取数字信号,再利用分析软件进行数字信号分析.图5电主轴测振系统表2为锤击法的实验条件,对主轴进行单点响应,多点激励的实验,本实验的锤击

11、点主要取3个,分别是主轴前端,主轴中部和主轴后端,用力锤对每个测点敲击5次,如图6为冲击力和主轴加速度的时间历程8,冲击锤加在主轴前端的冲击力为136N ,力锤与主轴接触瞬间,产生很大的冲击力,之后冲击力信号很快衰减,而主轴在受到力锤的冲击之后,瞬间获得很大的加速度,而后响应信号逐渐衰减,可知图6冲击力和加速度时域响应分析图准确,与振动理论相符,其所产生的振动信号频谱如图7所示11.表 2 实验条件仪器名称型号灵敏度量程厂家智能信号采集处理分析仪INV306DF 北京东方振动和噪声技术研究所双通道电荷放大器DL F -3(110210120×10-12C/(m s -2北京东方振动和

12、噪声技术研究所力锤LC13014100×10-12C/N 5000N 朗斯测试技术有限公司力传感器LC05013156×10-12C/N 5000N 朗斯测试技术有限公司加速度传感器LC01010101V/m s -2490m s -2朗斯测试技术有限公司图6冲击力和加速度的时域响应图7电主轴振动信号的频谱492沈阳建筑大学学报(自然科学版第24卷图7中106412Hz 、2278197Hz 、4269101Hz 分别为主轴的前三阶频率,其余的波峰为电磁噪声的干扰振动频率,实验得出一阶频率是106412Hz ,与ANSYS 理论计算的一阶固有频率117015Hz 相比略低,

13、这是因为在建立ANSYS 模型时采用了很多简化和理想的假设,其中各个零件之间的配合刚度问题和在建立模型过程中对过渡层和前后螺母、垫圈、密封圈等的省略,整个磨床动态性能都能影响主轴动态性能的测量,使其固有频率降低.另外在测量时,加速度传感器本身的误差及安装误差也对本实验有很大影响,这也给实验本身带来了误差15结论(1运用有限元分析软件ANSYS 对实验室的陶瓷轴承电主轴建立了仿真精确的三维建模.(2通过锤击法实验对ANSYS 的分析结果进行了验证,误差控制在10%以内,从而说明在Ansys 中对模型的简化是合理的.(3通过模态分析,得到了电主轴的各阶固有频率和振型,为下一步的谐响应分析奠定了基础

14、.参考文献:1胡爱玲.高速电主轴动静态特性的有限元分析D .广东:广东工业大学机械工程学院,2004.2郭大庆,吴玉厚.陶瓷轴承电主轴主轴的振动模态分析J .机电产品开发与创新,2006(1:23-28.3刘国庆,杨庆东.ANSYS 工程应用教程机械篇M .北京:中国铁道出版社,2003.4廖伯瑜,周新民,尹志宏.现代机械动力学及其工程应用-建模、分析、仿真、修改、控制、优化M .北京:机械工业出版社,2003.5张耀满,王旭东,蔡光起,等.高速机床有限元分析及其动态性能试验J .组合机床与自动化加工技术,2004(12:561-566.6张世珍,刘炳业,范晋伟,等.电主轴设计的几个关键问题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