内置式电主轴动态及热—结构耦合特性的研究

发布时间：2017-05-20 12:04

  本文关键词：内置式电主轴动态及热—结构耦合特性的研究，，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：高速加工技术作为机械加工制造产业的先进技术,对提高零件的加工效率和表面质量起了重要作用。主轴转速的提高使主轴轴承发热严重,同时产生严重变形,影响零件加工精度。因此,对主轴单元主要部件进行动态及热—结构耦合特性的分析意义重大。本课题首先对主轴系统进行总体结构设计,包括电机、支承轴承的选择、各主要部分参数的确定与计算校核;其次,采用有限元分析法对电主轴进行动态特性的研究,用Solidworks建立主轴系统的三维模型,导入ANSYS有限元分析软件先采用分块法进行模态分析,再采用模态叠加法对主轴有限元模型进行谐响应分析;然后,采用顺序耦合分析法进行电主轴单元的热—结构耦合特性的分析,在确定边界条件后,进行稳态热分析,再对热应力和热位移进行研究;最后,采用零阶函数逼近优化法对主轴热变形量作进一步优化。通过模态分析,得到电主轴前六阶的固有频率及振型,求解主轴临界转速,验证主轴设计参数的合理性;通过谐响应分析,得到电主轴两端径向位移与频率的关系曲线,发现发生裂纹的薄弱点是电机转子部分,提出采取提高前轴承预紧力、适度调整电主轴的跨距和前悬伸量的方法,改善电主轴的动态特性。通过热态分析,得到了电主轴温度分布、热变形和热应力场分布图,发现电机转子温升、径向位移量最大,外壳轴向位移量最大,轴承处应力变化最大。通过对主轴热变形的优化,降低了主轴前端的热变形均值,减小了最大变形量,降低了电主轴轴线跳动,提高了主轴传动精度。
【关键词】：电主轴 ANSYS有限元分析 动态特性 热—结构耦合特性 优化
【学位授予单位】：河北工程大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TH16;TG502.3
【目录】：

• 摘要6-7
• Abstract7-12
• 第1章 绪论12-18
• 1.1 选题背景和研究意义12-13
• 1.1.1 课题的研究背景12
• 1.1.2 课题的研究意义12-13
• 1.2 高速电主轴研究现状13-16
• 1.2.1 高速电主轴的发展现状13-14
• 1.2.2 高速电主轴动态特性的研究现状14-15
• 1.2.3 高速电主轴热态特性的研究现状15-16
• 1.3 本课题研究内容16-17
• 1.4 本章小结17-18
• 第2章 高速电主轴结构设计18-31
• 2.1 高速电主轴概述18
• 2.2 高速电主轴总体结构设计18-28
• 2.2.1 电机的选择19-21
• 2.2.2 轴承的选择与刚度计算21-25
• 2.2.3 电主轴主要结构参数的确定25-28
• 2.3 高速电主轴刚度计算28-30
• 2.3.1 主轴受力计算28-29
• 2.3.2 主轴静刚度校核29-30
• 2.4 本章小结30-31
• 第3章 高速电主轴动态特性分析31-47
• 3.1 高速电主轴动力学分析31-32
• 3.2 高速电主轴的模态分析32-40
• 3.2.1 高速电主轴模态分析方程32-33
• 3.2.2 ANSYS中的模态分析33-39
• 3.2.3 电主轴临界转速分析39-40
• 3.3 高速电主轴的谐响应分析40-44
• 3.3.1 谐响应分析理论基础40-41
• 3.3.2 ANSYS中的谐响应分析41-44
• 3.4 高速电主轴动态特性的改善措施44-46
• 3.5 本章小结46-47
• 第4章 高速电主轴热特性与边界条件的确定47-59
• 4.1 主轴单元的热源及散热分析47-49
• 4.1.1 电主轴的热源分析47
• 4.1.2 电主轴的散热分析47-49
• 4.2 高速电主轴边界条件的确定49-51
• 4.2.1 温度场控制方程49-50
• 4.2.2 高速电主轴初始条件和边界条件的确定50-51
• 4.3 电主轴热源发热计算51-53
• 4.3.1 热载荷的种类51
• 4.3.2 高速电主轴热载荷计算51-53
• 4.4 高速电主轴对流换热系数的计算53-57
• 4.4.1 周围空气和转子的对流换热53
• 4.4.2 定转子间气隙对流换热53-54
• 4.4.3 定子和冷却油间的对流换热54-55
• 4.4.4 轴承与油—气润滑系统的对流换热55
• 4.4.5 周围空气与电主轴的对流换热55-56
• 4.4.6 旋转体表面与空气的强迫对流换热56
• 4.4.7 冷却套强制换热56-57
• 4.5 本章小结57-59
• 第5章 高速电主轴热—结构耦合特性分析59-71
• 5.1 高速电主轴热态分析59-60
• 5.1.1 热态特性分析方法59
• 5.1.2 ANSYS热分析理论基础59-60
• 5.2 高速电主轴热—结构耦合特性分析的基本步骤60-62
• 5.2.1 电主轴热分析有限元模型建立60-62
• 5.2.2 电主轴热态分析中热载荷的确定62
• 5.3 高速电主轴的稳态热分析62-64
• 5.4 高速电主轴热—结构耦合特性分析64-66
• 5.5 电主轴热变形优化66-69
• 5.5.1 优化设计理论66-67
• 5.5.2 ANSYS优化设计67-68
• 5.5.3 优化结果验证68-69
• 5.6 高速电主轴热态特性的改善措施69-70
• 5.7 本章小结70-71
• 结论71-73
• 致谢73-74
• 参考文献74-77
• 作者简介77
• 攻读硕士学位期间发表的学术论文77-78

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前4条

1 郭军;张伯霖;肖曙红;赵虎;;基于热接触分析的电主轴热态特性研究[J];机床与液压;2006年07期

2 胡秋;腾强;;数控机床高速主轴单元动态特性仿真分析[J];机床与液压;2007年01期

3 肖曙红;郭军;张伯霖;;高速电主轴热结构耦合特性的有限元分析[J];机械设计与制造;2008年09期

4 李媛媛,徐浩;高速机床主轴用陶瓷球轴承动态性能研究[J];现代零部件;2004年08期

  本文关键词：内置式电主轴动态及热—结构耦合特性的研究，由笔耕文化传播整理发布。

本文编号：381543