離心力影響下的高速電主軸動(dòng)力學(xué)特性研究.pdf

1、高速電主軸是高速高效切削的關(guān)鍵部件，其動(dòng)力學(xué)特性不僅直接影響著切削穩(wěn)定性和加工精度，也影響著整部機(jī)床的動(dòng)力學(xué)性能，因此對(duì)其進(jìn)行全面的動(dòng)力學(xué)分析有重要意義。隨著主軸轉(zhuǎn)速的不斷提高，離心力逐漸成為除切削力之外的另一主要激勵(lì)，影響范圍和深度也進(jìn)一步增強(qiáng)，但目前多數(shù)研究主要集中于軸承所受的離心力對(duì)高速電主軸的影響。本文在總結(jié)前人研究成果的基礎(chǔ)上，提出了高速電主軸內(nèi)離心力的三種主要表現(xiàn)形式：轉(zhuǎn)子不平衡質(zhì)量引起的離心力、轉(zhuǎn)子等旋轉(zhuǎn)部件自身的離心膨脹

2、及軸承滾動(dòng)體受離心力產(chǎn)生的徑向離心運(yùn)動(dòng)。并針對(duì)第二種表現(xiàn)形式—離心膨脹現(xiàn)象—進(jìn)行了深入研究。
　　本文在國(guó)家數(shù)控重大專項(xiàng)（項(xiàng)目編號(hào)2010 ZX04001-032）和國(guó)家自然基金項(xiàng)目（項(xiàng)目編號(hào)51465035）的資助下，以高速電主軸為研究對(duì)象，針對(duì)作用于其內(nèi)部結(jié)構(gòu)上的離心力及其影響做了如下研究，并得到了相關(guān)結(jié)論。
　　（1）針對(duì)高速電主軸轉(zhuǎn)速不斷升高的特點(diǎn)，提出拉桿系統(tǒng)也會(huì)受離心力影響的觀點(diǎn)?；趶椥粤W(xué)理論和有限元法研究了

3、拉桿系統(tǒng)中碟簧的離心變形問(wèn)題，得出高轉(zhuǎn)速時(shí)，碟簧的徑向變形會(huì)削弱初始拉緊力，造成切削點(diǎn)偏移；同時(shí)研究了多種條件下，刀柄-主軸轉(zhuǎn)子接觸狀況隨轉(zhuǎn)速的變化規(guī)律。結(jié)果表明：HSK刀柄錐面在靜態(tài)、動(dòng)態(tài)時(shí)與主軸轉(zhuǎn)子都不是完全接觸，最大接觸間隙出現(xiàn)于中部，接觸應(yīng)力則分布于兩端，呈“環(huán)狀”；動(dòng)態(tài)夾緊力會(huì)顯著提高結(jié)合面的接觸應(yīng)力，但離心力和動(dòng)態(tài)力的雙重作用使得薄壁結(jié)合處間隙及范圍變大，導(dǎo)致局部應(yīng)力降低；
　　（2）電主軸是由拉桿和主軸轉(zhuǎn)子共同組成，

4、針對(duì)這一特點(diǎn)，提出對(duì)電主軸系統(tǒng)需建立雙轉(zhuǎn)子模型的觀點(diǎn)，并需要將離心力作為動(dòng)態(tài)因子耦合入該模型。結(jié)合導(dǎo)納子結(jié)構(gòu)耦合理論，建立了高速電主軸單轉(zhuǎn)子系統(tǒng)和雙轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)模型，基于此前的結(jié)果，研究了兩種轉(zhuǎn)子系統(tǒng)在刀柄-主軸轉(zhuǎn)子結(jié)合部不同接觸條件下的動(dòng)力學(xué)響應(yīng)。結(jié)果表明：拉桿是影響高速電主軸系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)特性的薄弱環(huán)節(jié)，主要影響低頻帶的動(dòng)力學(xué)特性；在一定范圍內(nèi)提高拉力對(duì)系統(tǒng)固有頻率的提升并不明顯；高轉(zhuǎn)速時(shí)，過(guò)盈量對(duì)高速電主軸系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)特性的影響比拉

5、力更直接。
　　（3）針對(duì)轉(zhuǎn)子在高速狀態(tài)下會(huì)膨脹的特點(diǎn)，基于彈性力學(xué)計(jì)算了轉(zhuǎn)子的離心膨脹量，提出因轉(zhuǎn)子膨脹而導(dǎo)致的氣隙減小可能會(huì)增強(qiáng)電主軸振動(dòng)的假設(shè)。為驗(yàn)證這一假設(shè)，針對(duì)已知參數(shù)的某型號(hào)電機(jī)，采取人為減小其轉(zhuǎn)子直徑的方法，利用有限元手段模擬了其氣隙磁場(chǎng)特性，詳細(xì)分析了氣隙磁場(chǎng)和徑向電磁力的變化以及電機(jī)的振動(dòng)特性。結(jié)果表明：在本文所假設(shè)的轉(zhuǎn)子直徑變化范圍內(nèi)，氣隙磁場(chǎng)和徑向電磁力明顯增大，電機(jī)定子的振動(dòng)顯著增強(qiáng)。說(shuō)明高速電主軸內(nèi)的磁-

6、固耦合導(dǎo)致的電磁振動(dòng)不可忽略。
　?。?）提出離心膨脹導(dǎo)致的氣隙減小現(xiàn)象會(huì)影響電主軸內(nèi)部對(duì)流換熱的假設(shè)，從對(duì)流換熱系數(shù)計(jì)算所需考慮的因素出發(fā)，闡明該類邊界條件對(duì)電主軸熱分布和熱變形計(jì)算的重要性。結(jié)合電主軸內(nèi)的生熱、傳熱及散熱方式，研究了主軸轉(zhuǎn)子離心膨脹和熱膨脹所導(dǎo)致的氣隙減小現(xiàn)象對(duì)定、轉(zhuǎn)子間對(duì)流換熱規(guī)律的影響，以及冷卻條件與對(duì)流換熱之間的關(guān)系。結(jié)果表明：該系數(shù)隨氣隙的減小而減小；提高冷卻水功率并不能有效降低轉(zhuǎn)子溫升，而提高氣隙間對(duì)