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[青铜行盘式锯床]立式机床主轴系统动态特性分析

日期:2019-06-20 10:27:09
主轴系统是机器振动的关键部件。通过分析主轴的动态特性,可以了解机床的抗振性能和变形模式。在分析中,主轴和支撑轴承简化为弹性系统,主轴旋转产生的离心力被认为是结构的预应力。该方法为主轴部件的动态分析提供了新思路。 介绍 本文以数控自动上下料机床主轴系统为研究对象,研究了主轴结构设计对主轴系统稳定性和抗振性能的影响。将主轴和支撑轴承简化为弹性系统,分析主轴旋转产生的离心力作为预应力,为主轴部分的分析提供了新的分析思路。 有限元法广泛应用于机械工程的分析和计算。本文首先对机床主轴的有限元分析建立主轴的有限元模型,包括设定材料参数,网格划分和应用边界条件到主轴模型。边界条件可以考虑轴承支撑系数,即在轴承支撑的位置处增加具有刚度值的弹性约束。使用有限元方法,我们可以对主轴进行模态分析和谐响应分析。 1.主轴模态分析 当主轴旋转时,质心将偏离轴线,使轴线周期性地改变该方向上的惯性力。该惯性力是轴的横向振动的主要原因。当主轴速度接近或超过其自身的临界速度时,其振动将非常强烈。模态分析确定机构的固有频率和模态形状,以避免在主轴操作期间过度振动。 1.1模态分析的理论基础 通过有限元理论得到的主轴动力学方程如下: 其中:ω是系统的固有频率 1.2主轴结构设计 主轴选择两个设计结构作为分析对象,一个是长轴结构(见图1),另一个是短轴结构(见图2)。从图1中可以看出,长轴结构设计中的主轴属于长度为736mm的细长轴。在第二种设计中,中空短轴中心轴的长度显着减小到280mm,并且直径相对增大。可以看出,主轴结构的形状和尺寸在这两种方案中是不同的。结构的模态参数可以通过有限元分析计算,比较结果确定哪种结构更好。 图1长轴结构图图2短轴结构图 1.3模态分析边界条件 根据实际情况,主轴应受其他部件的限制,即应设置相应的约束。作为支撑主轴的部件,轴承刚度在转子系统的精度和抗振性中起决定性作用。可以模拟轴承对主轴的支撑,以对主轴和轴承之间的连接施加弹性约束(如图3所示)。同时,在主轴的上端有锁紧螺母和其他结构,以限制主轴的X,Y和Z自由度。 轴承支撑参数的识别方法有很多种,如传递函数法,直接法等。本文采用现有的经验公式计算角接触轴承的刚度。主轴轴承采用定位预紧方式。在已知的预紧力的情况下,角接触球轴承的径向刚度Kr可以近似为: 图3是等效弹簧位置图 1.4具有预应力的模态分析结果 根据已知参数设定主轴的有限元预处理,并根据约束应用弹性约束。为了考虑转子旋转期间离心应力的影响,需要设定主轴的转速,即具有预应力的结构模态分析。两个结构主轴的前3个模态结果如表1和表2所示。 表1空心短轴的固有频率和模态形状 从表1和表2可以看出,长轴的临界速度远小于空心短轴的临界速度。加工时的转速为3000r/min,空载转速为3500r/min,长轴的低阶临界速度为3180r/min和3192r/min。可以看出,在长轴加工期间可能发生大的振动。短轴的临界速度远大于实际速度,避免了共振的可能性。 2.主轴谐响应分析 谐波响应分析是研究物体在一定频率范围内受到激励力时引起的变形和应力变化。研究对象主轴的约束条件与模态分析相同,施加的载荷为60N·m。以4Hz的采样间隔进行长轴和短轴前端的位移变形的数据获取,并且在0Hz至80Hz的扭矩负载的测试范围内均匀地获得20个采样点。采样频率下的计算数据与图4和图5所示的曲线相连,可以分析主轴在频率间隔内的负载变形。   3.结论 本文在模态分析过程中考虑轴承的支撑刚度,将主轴旋转产生的离心应力作为预应力,设计主轴的低阶固有频率和振动模式。得到了。比较结果表明,空心短轴的动态特性优于长轴。本文还进行了谐响应分析。结果表明,在具有一定频率变化的正弦力的作用下,空心短轴结构的动态变形较小,这与模态分析的结果一致。
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