高速電主軸多場(chǎng)耦合動(dòng)力學(xué)研究.pdf

1、高速加工技術(shù)是集高效、優(yōu)質(zhì)、低耗于一身的先進(jìn)制造技術(shù),能極大地提高生產(chǎn)率、降低生產(chǎn)成本和提高產(chǎn)品加工質(zhì)量。電主軸作為高速數(shù)控加工機(jī)床的核心部件,實(shí)現(xiàn)了機(jī)床系統(tǒng)的“零傳動(dòng)”而直接參與加工,其工況下的動(dòng)態(tài)輸出性能直接影響加工效率與精度。由于內(nèi)置電動(dòng)機(jī)的存在,電主軸比一般電動(dòng)機(jī)和傳統(tǒng)機(jī)床主軸有著更為復(fù)雜的動(dòng)態(tài)性能,呈現(xiàn)出機(jī)電磁熱等動(dòng)力學(xué)行為相互耦合的復(fù)雜性質(zhì),因此建立完整的耦合動(dòng)力學(xué)模型以便更有效地預(yù)測(cè)電主軸動(dòng)態(tài)性能尤為緊迫。
　　本文

2、在國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目《高速電主軸機(jī)電耦合動(dòng)力學(xué)分析及仿真與實(shí)驗(yàn)研究》(項(xiàng)目編號(hào)50675233)和《基于壓電堆疊的高速電主軸振動(dòng)主動(dòng)控制研究》(項(xiàng)目編號(hào)51005259)、中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)科研專(zhuān)項(xiàng)《諧波分量影響下基于機(jī)電—控制耦合模型的高速高性能電主軸動(dòng)態(tài)特性研究》(項(xiàng)目編號(hào)CDJXS11111143)和《多場(chǎng)耦合作用下高速電主軸動(dòng)態(tài)特性研究》(項(xiàng)目編號(hào)CDJXS12110004)的資助下,對(duì)高速電主軸進(jìn)行了多場(chǎng)耦合動(dòng)力學(xué)分析和

3、相關(guān)實(shí)驗(yàn)研究,主要做了以下幾個(gè)方面的工作:
　　針對(duì)高速電主軸系統(tǒng)具有一般機(jī)械系統(tǒng)和復(fù)雜機(jī)電傳動(dòng)系統(tǒng)的特點(diǎn),提出對(duì)高速電主軸系統(tǒng)進(jìn)行機(jī)電磁熱耦合分析的觀點(diǎn),以角接觸球軸承模型、系統(tǒng)熱模型、轉(zhuǎn)軸動(dòng)力學(xué)模型等子模型為基礎(chǔ),建立高速電主軸多場(chǎng)耦合動(dòng)力學(xué)模型。軸承模型中存在著熱機(jī)耦合現(xiàn)象,其數(shù)學(xué)模型以滾動(dòng)軸承擬靜力學(xué)理論為基礎(chǔ),且內(nèi)部幾何相容關(guān)系考慮了由溫升引起的軸承內(nèi)、外圈相對(duì)熱位移;軸承產(chǎn)熱來(lái)自滾動(dòng)體和內(nèi)外圈之間的摩擦力矩,同時(shí)建立內(nèi)

4、置電動(dòng)機(jī)電磁損耗模型分析輸入功率在電動(dòng)機(jī)電路中的損耗與分配,確定系統(tǒng)內(nèi)部以及與外部環(huán)境之間的熱邊界條件;應(yīng)用有限元方法建立轉(zhuǎn)軸動(dòng)力學(xué)模型,其單元的參數(shù)矩陣由Timoshenko梁理論確定,并在定轉(zhuǎn)子氣隙處的單元引入由不均勻氣隙引起的電磁不平衡力;分析各子模型之間的相互影響關(guān)系,描述系統(tǒng)多物理場(chǎng)過(guò)程、多參數(shù)耦合的動(dòng)力學(xué)行為。
　　設(shè)計(jì)關(guān)于多場(chǎng)耦合動(dòng)力學(xué)模型的計(jì)算流程,并以170MD15Y20型號(hào)電主軸為對(duì)象進(jìn)行了相關(guān)計(jì)算分析。研究了

5、空載和加載等工況下電主軸的動(dòng)態(tài)支承剛度、軸承和內(nèi)置電動(dòng)機(jī)產(chǎn)熱、系統(tǒng)溫度分布和固有頻率等動(dòng)態(tài)性能,著重討論了熱位移和電磁不平衡力對(duì)軸承產(chǎn)熱、軸承動(dòng)剛度、系統(tǒng)固有頻率的影響,系統(tǒng)分析了高速電主軸系統(tǒng)的機(jī)電磁熱動(dòng)力學(xué)行為以及它們之間的耦合關(guān)系。
　　為豐富且完善電主軸實(shí)驗(yàn)的工況條件,利用測(cè)功機(jī)對(duì)170MD15Y20型號(hào)電主軸進(jìn)行對(duì)拖式加載;利用熱電偶傳感器和溫度表測(cè)試儀測(cè)試了前軸承座,主軸殼體、排氣口等關(guān)鍵部位的溫度變化情況;為獲取電主

6、軸系統(tǒng)靜態(tài)和動(dòng)態(tài)固有頻率,分別開(kāi)展了自由模態(tài)試驗(yàn)和工作模態(tài)(振動(dòng)測(cè)試)試驗(yàn)。試驗(yàn)數(shù)據(jù)和理論結(jié)果的良好吻合驗(yàn)證了所建模型和計(jì)算流程的可靠性和準(zhǔn)確性。
　　基于多場(chǎng)耦合動(dòng)力學(xué)模型及其計(jì)算流程,結(jié)合主軸結(jié)構(gòu)特點(diǎn),以前后軸承組中心間距、主軸懸伸量、“電動(dòng)機(jī)參數(shù)”和轉(zhuǎn)軸材料為設(shè)計(jì)參數(shù),對(duì)170MD15Y20型號(hào)電主軸進(jìn)行了動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì),研究了系統(tǒng)各種軸承配置下的前兩階固有頻率隨設(shè)計(jì)參數(shù)的變化規(guī)律,計(jì)算分析了各設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)系統(tǒng)固有頻率的靈敏度,并