高速主轴不平衡振动行为分析及其抑制方法研究

发布时间：2017-09-17 01:15

  本文关键词：高速主轴不平衡振动行为分析及其抑制方法研究

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【摘要】：高速加工技术是当代一种先进加工制造技术,广泛应用于航空航天、汽车制造工业、仪器仪表制造工业、光学和精密制造工业等加工领域。高速加工技术具有高效、高精度、高表面质量加工等重要特征。高速机床是高速加工技术得以实现的主要设备和关键因素,高速主轴系统作为高速机床的核心功能部件,其结构和动态性能直接影响着高速加工的效率以及关键零件的制造精度,主轴空间振动行为分析及抑制方法研究对我国高速加工技术应用具有重要意义。论文以高速电主轴为对象展开研究,采用有限元方法建立了“转子—轴承—圆盘”耦合的主轴结构动力学模型,并对主轴的不平衡振动行为作了深入分析与探讨。针对目前转子动平衡技术需多次起车加重或去重的不足,提出了基于高速主轴有限元动力学模型的无试重动平衡方法。论文首先基于Jones模型,考虑滚动体的离心效应和陀螺效应,对角接触球轴承进行了有限元动力学建模,采用线性搜索与改进Newton-Raphson迭代算法相结合的方法对由滚动体几何约束方程和力平衡方程组成的高度非线性方程组进行求解,得到了轴承的刚度矩阵。给出了滚动体及轴承相关参数随轴承所受轴向力、径向力及主轴转速的变化曲线。论文将轴承看作外圈与主轴箱固连,内圈随主轴转动的2节点轴承单元,每个节点包含除扭转自由度外的5个自由度;利用考虑剪切作用的2节点的Timoshenko梁单元对主轴转子、拉到杆、主轴箱等梁类结构进行有限元动力学建模;利用考虑质量偏心的圆盘单元对编码器、配重盘等盘类结构进行动力学建模;最后在轴承刚度求解的基础上,对转子、圆盘、轴承各模块进行集成,得到主轴系统的有限元动力学模型。论文对已有高速主轴进行了有限元动力学建模,并分别从模态、谐响应、时域振动响应方面进行了仿真分析,将模态分析及谐响应分析的结果与ANSYS进行了比较,最后进行了高速主轴的模态实验。ANSYS分析结果与实验结论联合验证了主轴系统有限元动力学模型的正确性和准确性。最后提出了基于高速主轴有限元动力学模型的不平衡振动分析的无试重动平衡抑制方法,并针对本特利转子平台进行了该方法的动平衡实验。实验表明该方法能有效地抑制转子不平衡振动,在转子动平衡中有广阔的应用前景。
【关键词】：高速加工技术 电主轴 滚动轴承 不平衡振动 无试重动平衡
【学位授予单位】：西安电子科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TG502.3
【目录】：

• 摘要5-6
• ABSTRACT6-11
• 符号对照表11-13
• 缩略语对照表13-16
• 第一章 绪论16-26
• 1.1 研究背景及意义16-18
• 1.1.1 研究背景16-17
• 1.1.2 研究意义17-18
• 1.2 高速电主轴概述18-20
• 1.2.1 高速电主轴结构及功能18-19
• 1.2.2 高速电主轴用滚动轴承19-20
• 1.3 高速电主轴系统理论研究现状20-22
• 1.3.1 高速电主轴系统结构动力学建模理论研究现状20-21
• 1.3.2 高速电主轴动平衡方法研究现状21-22
• 1.4 高速电主轴系统理论研究发展趋势22-23
• 1.5 论文研究内容23-26
• 第二章 角接触球轴承有限元动力学建模26-42
• 2.1 角接触球轴承的几何结构26-27
• 2.2 角接触球轴承的几何关系27-29
• 2.3 角接触球轴承的受力分析29-31
• 2.3.1 滚动体的受力分析29-31
• 2.4 角接触球轴承的刚度求解31-40
• 2.4.1 关于滚动体的非线性方程组求解31-35
• 2.4.2 轴承刚度求解35-40
• 2.5 小结40-42
• 第三章 高速主轴系统有限元动力学建模42-58
• 3.1 梁单元的有限元运动方程42-49
• 3.2 圆盘单元的有限元运动方程49-51
• 3.3 高速主轴系统的有限元动力学模型51
• 3.4 简单转子—轴承系统的仿真分析51-57
• 3.4.1 动态分析的理论基础51-54
• 3.4.2 简单转子—轴承系统的仿真分析54-57
• 3.5 小结57-58
• 第四章 高速主轴不平衡振动行为分析及抑制方法研究58-74
• 4.1 不平衡力作用下的主轴空间振动分析58-66
• 4.2 基于系统有限元动力学模型的无试重动平衡方法研究66-70
• 4.2.1 基于系统有限元动力学模型的不平衡响应识别66-68
• 4.2.2 基于系统有限元动力学模型模态分析的试重求解68-70
• 4.3 基于系统有限元动力学模型的不平衡识别方法仿真分析70-72
• 4.4 小结72-74
• 第五章 系统有限元动力学模型及动平衡方法的实验验证74-84
• 5.1 高速电主轴系统的动态仿真及ANSYS验证74-78
• 5.2 高速电主轴模态实验78-80
• 5.2.1 实验平台及设备78-79
• 5.2.2 模态实验与仿真结果对比79-80
• 5.3 本特利转子动平衡实验80-82
• 5.4 小结82-84
• 第六章 结论与展望84-86
• 6.1 本文工作结论84-85
• 6.2 研究工作展望85-86
• 参考文献86-90
• 致谢90-92
• 作者简介92-93

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本文编号：866412