高速电主轴动力学性能有限元分析

1、高速电主轴动力学性能有限元分析高速电主轴动力学性能有限元分析 摘要：文章通过建立主轴-轴承的分析模型，采用法对电主轴的振动特性进行模拟，为优化主轴的结构参数设计提供了有益的参考数据。 关键词：； 0 引言 的分析，是设计中的关键，具备良好的电主轴应该满足“高速度、高刚度、高精度”的三高特性的要求。的分析就是要通过计算分析找出电主轴的结构设计参数对电主轴的影响，从而优化结构设计，改善动态性能。 是评价的一个重要指标，主要是指电主轴的临界转速和主。当轴在临界转速或其他附近运转时，将引起剧烈的振动，严重时造成轴、轴承以及轴上的零件破坏，为了保证电主轴安全运行和正常工作，在机械设计时，应使电主轴的工作

2、转速离开各阶临界转速一定的范围。一般要求是，对工作转速低于其一阶临界转速的轴。 机械系统运动部件的研究主要是通过对运动部件进行模态分析来实现它主要研究结构或部件的振动特性（固有频率和主），为动力学分析提供基本的分析数据。通过分析可以判断出机床转动部件的转速是否合理，结构中有无薄弱环节，并可对其进行优化设计，使零部件满足机床对加工质量和加工精度的要求。 1 分析的优势 目前轴承主轴系统常用的动力分析方法之一法，虽占用储存空间大，计算速度慢，但却有较高的计算精度。法的基本思想是将求解域看成是由许多称为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

3、结构的平衡条件）的解，这个解不是准确解而是近似解。由于大多数实际问题难以得到准确解，而法不仅计算精度高，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软件，是融结构、流体、电场、磁场、声场分析于一体的大型分析系统。其功能强大、适用领域非常广泛。除了可进行静力分析之外，还提供了强大的动力分析工具，可以很方便地进行模态分析。在此采用分析软件，对研发的加工中心电主轴进行振动模态分析，以检验其设计的合理性。 2 轴承-主轴系统模型的建立 本文选用的电主轴（主轴参数见表 1）是一种阶梯轴，具有中空，多支承的特点，如图 1所示，同时，主轴承受多种载荷，主轴前端承受切削力和弯矩，内装电机转子传递给主

4、轴的转矩等主轴在三组轴承支承下高速旋转。因此，该主轴是一个较复杂的超静定梁结构，对电主轴来说，其径向振动是影响其动态性能的主要因素。 表 1 主轴主要参数 主轴外径 D（mm） 63.5 主轴的内孔直径 d (mm) 30 前悬伸量 a(mm) 55 主轴最佳跨距l0(mm) 300 前轴承 7014CD/HCP4ADBA 后轴承 7012CD/HCP4ADBA 最高转速（rpm） 30000 为了计算方便，将其作为空间弹性梁处理，并对其进行如下简化： 将角接触球轴承简化为弹性轴承，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

5、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。 根据上述简化原则，并考虑到仿真的真实性和准确性。对轴承主轴系统在 ANSYS中进行建模。 图 1 电主轴轴承-主轴系统模型图 2.1 轴承的建模 将每组轴承简化为四个周向均布的压缩弹簧 ，见图 2，每个弹簧都用一个弹簧阻尼单元COMBIN14 来模拟。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，在弹簧的另外一端为完全固接，每个弹簧的刚 度为相应轴承径向刚度的一半，轴承预紧后的径向刚度按如下公式进行计算： 式中：z滚动体数目，Dn滚动体直径，a接触角，Fa0-轴向预紧力。 图 2 主轴支承

6、简化模型图 2.2 主轴的建模 为了真实、准确、有效地对主轴单元进行仿真分析，采用三维建模，选用 Pro/E 三维实体结构单元对主轴进行网格划分，简化后的主轴三维模型如图 3所示： 图 3 主轴的三维模型 3 模态分析 模态分析是用于确定设计机构或机器部件的振动特性，即结构的固有频率和。提取前 10 阶模态分析结果，经计算后，得到前 10阶固有频率和 SET TIME/FREQ LOAD STEP SUBSTEP CUMULATIVE 1857.92 1 1 1 2863.13 1 2 1 3877.17 1 3 1 4882.52 1 4 1 51092.8 1 5 1 62151.8 1

7、6 1 72162.8 1 7 1 82385.2 1 8 1 92853.0 1 9 1 10 4828.5 1 10 1 图如图 4 所示： 第一阶图 第二阶图 第三阶图 第四阶图 第五阶图 第六阶图 第七阶图 第八阶图 第九阶图 第十阶图 图 4 电主轴的十阶图 根据转速和频率的关系，将主轴的固有频率转化为临界转速，见表 2： 表 2 主轴的各阶固有频率和 阶次 1 2 3 4 5 频率（Hz） 857 863 877 882 1092 临界转速 51420 51780 52620 52920 65520 由表 2可见：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%。在转速低于 51420rpm75%时，整个轴都是可靠的，不会产生明显的共振。此电主轴的最高转速为 30000rp