高速电主轴、轴承系统.docx

高速电主轴、轴承系统的动态设计这一技术简要提出了一种传统的基于传递矩阵法(TMM)和Jones-Harris非线性滚动轴承动态模型来研究结构参数的扩展对高速电主轴、轴承系统的振动特性的影响。第一临界转速和高速电主轴、轴承系统的动态刚度的系统研究。结构参数的设计灵敏度分析是进行识别影响轴、轴承系统的第一临界转速的主要因素。结果表明加工工艺，轴肩，电机尺寸，轴承布置对主轴的动态特性影响很大。轴、轴承系统的传递矩阵法模型是在测量高速电主轴的整体动态刚度下被证实过的。关键词：电主轴，转子动力学，传递矩阵方法，滚动轴承分析理论1.引言主轴系统是机床由于其动态特性直接影响到加工效率和完成工件质量的最重要的部分之一。相当多的研究有关机床主轴、轴承系统的建模已经发表。Al-Shareef和布兰登提出了早期的机床主轴的动力学模型，他们使用影响系数的方法研究动态设计变量对轴、轴承系统的性能的影响，变量包括轴承刚度、驱动轮的位置、工件质量、引入阻尼的最佳位置和主轴与轴承之间梯级的数量。最近，有限元法应经被广泛地用在研究高速电主轴、轴承系统的动态特性。影响主轴、轴承系统的静态和动态特性的设计变量也已经被讨论,包括预加载，轴颈直径，跨度比，轴承布置、支撑刚度，主轴长度，主轴材料，等等。尽管有限元法可以用在解决轴、轴承系统的动力学问题，尽管这种系统的质量和陀螺矩阵在离散系统中很容易获得，但是要写刚度矩阵或者合规矩阵是很麻烦或着说很耗时的。为了避免这些困难，连同大的特征问题有关的解决方案，可以应用有限元法。反之把系统作为一个整体来解决，可以从某一点开始研究，然后一步一步的进行下去。普洛尔对传递矩阵法进行了推广，包括不仅可以用来研究自由旋转和临界速度的估算而且可以进行不平衡响应的估算。传递矩阵法用来处理相对小的矩阵并且对一般程序开发非常省时。因此,这一技术简单的建立了一个采用传统传递矩阵法和Jones-Harris滚动轴承模型的由球轴承支撑的高速电主轴的包括离心力和回转的影响的耦合模型。一个扩展的设计变量的灵敏度分析的设计是基于研究其对主轴、轴承系统的第一临界转速的影响的开发模型，一些有价值的优化策略在最大的改进规则下已经被提出。最后,轴、轴承系统的动态刚度的分析已经通过了实验的验证。2. 动态模型图1（a）给出了一个由主轴制造商提供的高速电动磨的主轴、轴承系统的转子示意图。主轴设计转速高达51000转/分，转子是由两对采用双连续排列采用双连续的排列面接触球轴承支撑。前轴承和后轴承由一系列压缩弹簧同时加载。轴承靠油/空气润滑单独冷却。一个位于前后轴承之间的不可或缺的额定最大值为12千瓦的感应电动机带动这个轴、轴承系统。磨具装在主轴的端部。该系统　　的参数如表1所示。图1（b）给出了高速电主轴、轴承系统的简化动力学模型。转子分为几个部分,每一部分建模为一个两端质量集中的无质量的弹性轴，电机转子和砂轮建模为陀螺力矩的刚性磁盘来考虑。两个前轴承和两个后轮轴承简化的平移和扭转弹簧以及阻尼器。图1（a）高速磨削电主轴、轴承系统 （b）传递矩阵法的相应集中质量模型这个主轴、轴承系统的包括一阶临界转速和整体动态刚度的动态行为已采用传统传递矩阵法和Jones-Harris轴承模型来分析。借助MATLAB开发的计算机程序。在这项研究中，只讨论了第一临界速度,它基于主轴的最大运行速度不超过70%的第一临界转速这一事实；此外，在更高的要求中临界转速过高而影响主轴的动态行为。图2　滚动轴承的转速随刚度、接触角、离心力和陀螺力矩的变化图3（a）精磨中工艺条件对第一临界速度的影响（b）粗磨中工艺条件对第一临界速度的影响图4（a）前方轴肩长度对第一临界速度的影响（b）后方轴肩长度对第一临界速度的影响（转速51000r/min；轴向预载250N）3.动态分析3.1轴承刚度分析。图2给出了轴承的径向刚度，接触角，离心力和陀螺力矩与转速间的变化关系。可以看出轴承的动态刚度是明显非线性的。当转速较低时，轴承刚度近乎保持不变,但当转速超过30000r/min轴承刚度就会逐渐软化。从滚动轴承分析理论的角度，在高转速下这一显著的软化现象是由于离心力和陀螺力矩引起轴承接触角的变化。3.2主轴动态设计3.2.1工艺条件对第一临界速度的影响。　为了更好的理解高速电主轴的动态特性，粗磨和精磨的工艺条件都需要研究。通过机床工业标准，28000r/min的工作速度通常用于粗磨最大速度为51000r/min的主轴。根据GMN中高精度磨削主轴手册，在表2中列出了砂轮大小的两个条件。图3（a）和图3（b）给出了在第一临界速度施加不同的预载的两种工艺条件的效果。可以看成是增加轴向预载下粗磨和精磨的第一临界速度。对粗磨来说，随着轴长度的增加第一临界速度急剧下降。然而，对精磨来说，当轴的长度低于某一确切值45mm时第一临界