陶瓷轴承电主轴主轴的振动模态分析

1、开发与创新0引言机床的动态特性研究在我国已经成为日益受到重视的一个研究课题。而砂轮主轴是磨床的主要部件,它的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,对机床主轴动态性能的研究主要有有限元法和试验模态分析法。今后的发展趋势是上述两种方法结合起来,利用试验模态分析结果检验补充和修正原始有限元动力学模型,利用修正后的有限元模型计算结构的动力特性的响应,进行结构的优化设计。模态分析是属于动力学的一部分,也是动力学分析的起点,它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

2、或机床主要部件的振动特性(固有频率和主振型,它们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。主轴组件是一个多自由度系统。假设满足弹性小位移比例阻尼条件,主轴组件的振动将应该是各阶振动模态的线性叠加。因此,了解主轴组件的各阶振动模态的特点对于我们研究主轴组件的动态特性是十分必要的。1有限单元法简介为了研究主轴组件振动模态的特点,我们针对实验室高速精密磨床用陶瓷电主轴对主轴组件如图1所示,用有限元法进行了分析计算,确定了该主轴振动模态的特点。用有限元法进行结构的动态特

3、性分析,是一种比较成熟的方法,近20年来得到了迅速的发展并出现了商用程序系统,如ADINA ,ANSYS ,NASTRAN ,SUPERSAP,IDEAS 等。它们已卓有成效地应用于航空、船舶、汽车、机床等许多工程结构的动态分析。有限元分析(FEA ,Finite Element Analysis 的基本概念是用较简单的问题代替复杂问题后再求解。它将求解域看成是由许多称为有限元的小的互连子域组成,对每一单元假定一个合适的(较简单的近似解,然后推导求解这个域总的满足条件(如结构的平衡条件,从而得到问题的解。这个解不是准确解,而是近似解,因为实际问题被较简单的问题所代替。由于大多数实际问题难以得到

4、准确解,而有限元不仅计算精度高,而且能适应各种复杂形状,因而成为行之有效的工程分析手段。本文采用有限元软件ANSYS 对主轴进行模态分析。2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承组装的高速电主轴。陶瓷材料有许多种,其成份、显微组织和性能各不相同。业已证明,用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承,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。虽然只是把陶瓷轴承电主轴主轴的振动模态分析郭大庆,吴玉厚(沈阳建筑大学交通与机械学院,辽宁沈阳110168摘要:针对实验室高速精密磨床用陶瓷轴承电主轴,在有限元分

5、析软件中建立了三维有限元模型,对主轴部件进行了模态分析,得出了主轴前五阶固有频率和振型,对刚性支承和弹性支承情况下主轴模态进行了对比分析,为下一步进行详细的陶瓷轴承电主轴动力学分析打下基础。关键词:陶瓷轴承电主轴;ANSYS ;模态分析;振型中图分类号:TG58文献标识码:A文章编号:1002-6673(200601-007-02收稿日期:2005-12-07基金项目:国家自然科学基金资助项目(50475167;沈阳市科技攻关项目(1041008-1-04作者简介:郭大庆(1979-,男,湖北人,在读硕士研究生。机电产品开发与创新Development &Innovation of m

6、achinery &electrical productsVol.19,No.1Jan.,2006第19卷第1期2006年1月图1主轴部件模型图Fig.1The Modle fig of Spindle角接触陶瓷球轴承主轴7开发与创新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弹性支承主轴部件固有

9、频率(Hz和振型Tab.2Natural Vibration Frequency(Hzand Mode of theSpindle with Elasticity Supporting钢球变成了氮化硅球,但是另一方面,沟道的几何尺寸也作了改进以优化轴承性能。这种轴承在减小了离心力的同时,也减小了滚珠与该道间的摩擦力,从而获得较低的温升及较好的高速性能。实验证明,用混合陶瓷球轴承组装的高速电主轴,能兼得高速、高刚度、大功率、长寿命等优点。3主轴的有限元模型3.1主轴轴承的简化假设每个轴承均由四个均布的弹簧组成,如图2所示。为了限制主轴的轴向移动,在与弹簧相联接的4个主轴上的节点加上轴向约束,在弹

10、簧的另外一端为完全固接。前后轴承简化为具有径向刚度的径向的压缩弹簧,忽略陶瓷球轴承负荷及转速对轴承刚度的影响。每个均布的弹簧都用一个弹簧-阻尼单元来模拟。根据接触理论,求得陶瓷球与套圈的接触应力和变形,由此求得本文静态条件下预紧后角接触陶瓷球轴承的径向刚度,用于模拟弹簧-阻尼单元。3.2主轴有限元模型的建立为了更真实、准确、有效地对主轴单元进行仿真分析,采用有限元进行三维建模。选用三维实体结构单元对主轴主体进行网格划分,简化后的有限元模型如图3所示。4模态分析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

11、作用,故进行结构的振动特性的分析计算时通常取前510阶即可。因此,分别考虑刚性支承和弹性支承情况下,采用Subspace 模态提取法计算了主轴的前5阶固有频率和振型和各阶临界转速如表1和表2所示。从表1和表2可以看出,采用弹性支承后主轴的固有频率明显下降,并且得到的振型更为齐全。根据有限元模拟得到的固有频率计算主轴的一阶临界转速为:n=650.01×60=39000.6r /min ,实验室高速磨削用电主轴的工作转速是:30000r /min ,从模拟分析结果看该电主轴的工作转速远低于其一阶临界转速,能有效的避开共振区,保证主轴的加工精度。5结论用弹簧-阻尼单元模拟轴承,利用有限元分

12、析软件建立主轴的三维有限元模型,为电主轴各种力学性能分析奠定了基础。并在此基础上利用有限元分析软件对主轴进行了模态分析,仿真计算出主轴的固有频率和振型,为下一步进行陶瓷轴承电主轴动力学分析提供了可靠的依据。参考文献:1杨家华,黄旭东,等.主轴组件振动模态的分析=J.北京工业大学学报,1993,6.2张珂,孙红,等.高速电主轴的原理与应用J.沈阳建筑工程学院学报,1999,1.3吴玉厚.热压氮化硅陶瓷球轴承M .辽宁科学技术出版社,2003,4.图2主轴简化的支承模型Fig.2The Predigest Bearing Modle of Spindle表1刚性支承主轴部件固有频率(Hz和振型Tab.1Natural Vibration Frequency(Hza