陶瓷軸承電主軸主軸的振動(dòng)模態(tài)分析

1、開(kāi)發(fā)與創(chuàng)新0引言機(jī)床的動(dòng)態(tài)特性研究在我國(guó)已經(jīng)成為日益受到重視的一個(gè)研究課題。而砂輪主軸是磨床的主要部件,它的動(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,對(duì)機(jī)床主軸動(dòng)態(tài)性能的研究主要有有限元法和試驗(yàn)?zāi)B(tài)分析法。今后的發(fā)展趨勢(shì)是上述兩種方法結(jié)合起來(lái),利用試驗(yàn)?zāi)B(tài)分析結(jié)果檢驗(yàn)補(bǔ)充和修正原始有限元?jiǎng)恿W(xué)模型,利用修正后的有限元模型計(jì)算結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性的響應(yīng),進(jìn)行結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)。模態(tài)分析是屬于動(dòng)力學(xué)的一部分,也是動(dòng)力學(xué)分析的起點(diǎn),它為動(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)

2、或機(jī)床主要部件的振動(dòng)特性(固有頻率和主振型,它們是承受動(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。主軸組件是一個(gè)多自由度系統(tǒng)。假設(shè)滿足彈性小位移比例阻尼條件,主軸組件的振動(dòng)將應(yīng)該是各階振動(dòng)模態(tài)的線性疊加。因此,了解主軸組件的各階振動(dòng)模態(tài)的特點(diǎn)對(duì)于我們研究主軸組件的動(dòng)態(tài)特性是十分必要的。1有限單元法簡(jiǎn)介為了研究主軸組件振動(dòng)模態(tài)的特點(diǎn),我們針對(duì)實(shí)驗(yàn)室高速精密磨床用陶瓷電主軸對(duì)主軸組件如圖1所示,用有限元法進(jìn)行了分析計(jì)算,確定了該主軸振動(dòng)模態(tài)的特點(diǎn)。用有限元法進(jìn)行結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)特

3、性分析,是一種比較成熟的方法,近20年來(lái)得到了迅速的發(fā)展并出現(xiàn)了商用程序系統(tǒng),如ADINA ,ANSYS ,NASTRAN ,SUPERSAP,IDEAS 等。它們已卓有成效地應(yīng)用于航空、船舶、汽車、機(jī)床等許多工程結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)分析。有限元分析(FEA ,Finite Element Analysis 的基本概念是用較簡(jiǎn)單的問(wèn)題代替復(fù)雜問(wèn)題后再求解。它將求解域看成是由許多稱為有限元的小的互連子域組成,對(duì)每一單元假定一個(gè)合適的(較簡(jiǎn)單的近似解,然后推導(dǎo)求解這個(gè)域總的滿足條件(如結(jié)構(gòu)的平衡條件,從而得到問(wèn)題的解。這個(gè)解不是準(zhǔn)確解,而是近似解,因?yàn)閷?shí)際問(wèn)題被較簡(jiǎn)單的問(wèn)題所代替。由于大多數(shù)實(shí)際問(wèn)題難以得到

4、準(zhǔn)確解,而有限元不僅計(jì)算精度高,而且能適應(yīng)各種復(fù)雜形狀,因而成為行之有效的工程分析手段。本文采用有限元軟件ANSYS 對(duì)主軸進(jìn)行模態(tài)分析。2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承組裝的高速電主軸。陶瓷材料有許多種,其成份、顯微組織和性能各不相同。業(yè)已證明,用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承,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。雖然只是把陶瓷軸承電主軸主軸的振動(dòng)模態(tài)分析郭大慶,吳玉厚(沈陽(yáng)建筑大學(xué)交通與機(jī)械學(xué)院,遼寧沈陽(yáng)110168摘要:針對(duì)實(shí)驗(yàn)室高速精密磨床用陶瓷軸承電主軸,在有限元分

5、析軟件中建立了三維有限元模型,對(duì)主軸部件進(jìn)行了模態(tài)分析,得出了主軸前五階固有頻率和振型,對(duì)剛性支承和彈性支承情況下主軸模態(tài)進(jìn)行了對(duì)比分析,為下一步進(jìn)行詳細(xì)的陶瓷軸承電主軸動(dòng)力學(xué)分析打下基礎(chǔ)。關(guān)鍵詞:陶瓷軸承電主軸;ANSYS ;模態(tài)分析;振型中圖分類號(hào):TG58文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號(hào):1002-6673(200601-007-02收稿日期:2005-12-07基金項(xiàng)目:國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(50475167;沈陽(yáng)市科技攻關(guān)項(xiàng)目(1041008-1-04作者簡(jiǎn)介:郭大慶(1979-,男,湖北人,在讀碩士研究生。機(jī)電產(chǎn)品開(kāi)發(fā)與創(chuàng)新Development &Innovation of m

6、achinery &electrical productsVol.19,No.1Jan.,2006第19卷第1期2006年1月圖1主軸部件模型圖Fig.1The Modle fig of Spindle角接觸陶瓷球軸承主軸7開(kāi)發(fā)與創(chuàng)新The Model Analysis of the Ceramic Bearing Electric SpindleGUO Da-Qing ,WU Yu-Hou(Institute of Communication and Mech,Shenyang Jianzhu University ,Shenyang Liaoning 110168,ChinaAbs

7、tract:This paper takes the high -speed ceramic bearing electric spindle used in laboratory for example,establishes the 3D FE modle of the spindle and calculates the result of vibration modle analysis of it in the ANSYS.The first five natural frequency and vibration modles of the spindle are obtained

8、 and we analysis the result with rigidity support compared with elasticity support.They lay a solid foundation for the dynamic characteristic analysis of the ceramic bearing electric spindle in the next.Key words:the Ceramic Bearing Electric Spindle ;ANSYS ;Model Analysis ;Vibration Mode表2彈性支承主軸部件固有

9、頻率(Hz和振型Tab.2Natural Vibration Frequency(Hzand Mode of theSpindle with Elasticity Supporting鋼球變成了氮化硅球,但是另一方面,溝道的幾何尺寸也作了改進(jìn)以優(yōu)化軸承性能。這種軸承在減小了離心力的同時(shí),也減小了滾珠與該道間的摩擦力,從而獲得較低的溫升及較好的高速性能。實(shí)驗(yàn)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、大功率、長(zhǎng)壽命等優(yōu)點(diǎn)。3主軸的有限元模型3.1主軸軸承的簡(jiǎn)化假設(shè)每個(gè)軸承均由四個(gè)均布的彈簧組成,如圖2所示。為了限制主軸的軸向移動(dòng),在與彈簧相聯(lián)接的4個(gè)主軸上的節(jié)點(diǎn)加上軸向約束,在彈

10、簧的另外一端為完全固接。前后軸承簡(jiǎn)化為具有徑向剛度的徑向的壓縮彈簧,忽略陶瓷球軸承負(fù)荷及轉(zhuǎn)速對(duì)軸承剛度的影響。每個(gè)均布的彈簧都用一個(gè)彈簧-阻尼單元來(lái)模擬。根據(jù)接觸理論,求得陶瓷球與套圈的接觸應(yīng)力和變形,由此求得本文靜態(tài)條件下預(yù)緊后角接觸陶瓷球軸承的徑向剛度,用于模擬彈簧-阻尼單元。3.2主軸有限元模型的建立為了更真實(shí)、準(zhǔn)確、有效地對(duì)主軸單元進(jìn)行仿真分析,采用有限元進(jìn)行三維建模。選用三維實(shí)體結(jié)構(gòu)單元對(duì)主軸主體進(jìn)行網(wǎng)格劃分,簡(jiǎn)化后的有限元模型如圖3所示。4模態(tài)分析結(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

11、作用,故進(jìn)行結(jié)構(gòu)的振動(dòng)特性的分析計(jì)算時(shí)通常取前510階即可。因此,分別考慮剛性支承和彈性支承情況下,采用Subspace 模態(tài)提取法計(jì)算了主軸的前5階固有頻率和振型和各階臨界轉(zhuǎn)速如表1和表2所示。從表1和表2可以看出,采用彈性支承后主軸的固有頻率明顯下降,并且得到的振型更為齊全。根據(jù)有限元模擬得到的固有頻率計(jì)算主軸的一階臨界轉(zhuǎn)速為:n=650.01×60=39000.6r /min ,實(shí)驗(yàn)室高速磨削用電主軸的工作轉(zhuǎn)速是:30000r /min ,從模擬分析結(jié)果看該電主軸的工作轉(zhuǎn)速遠(yuǎn)低于其一階臨界轉(zhuǎn)速,能有效的避開(kāi)共振區(qū),保證主軸的加工精度。5結(jié)論用彈簧-阻尼單元模擬軸承,利用有限元分

12、析軟件建立主軸的三維有限元模型,為電主軸各種力學(xué)性能分析奠定了基礎(chǔ)。并在此基礎(chǔ)上利用有限元分析軟件對(duì)主軸進(jìn)行了模態(tài)分析,仿真計(jì)算出主軸的固有頻率和振型,為下一步進(jìn)行陶瓷軸承電主軸動(dòng)力學(xué)分析提供了可靠的依據(jù)。參考文獻(xiàn):1楊家華,黃旭東,等.主軸組件振動(dòng)模態(tài)的分析=J.北京工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),1993,6.2張珂,孫紅,等.高速電主軸的原理與應(yīng)用J.沈陽(yáng)建筑工程學(xué)院學(xué)報(bào),1999,1.3吳玉厚.熱壓氮化硅陶瓷球軸承M .遼寧科學(xué)技術(shù)出版社,2003,4.圖2主軸簡(jiǎn)化的支承模型Fig.2The Predigest Bearing Modle of Spindle表1剛性支承主軸部件固有頻率(Hz和振型Tab.1Natural Vibration Frequency(Hza