陶瓷轴承电主轴的模态分析及其动态性能实验

目的 通过对实验室高速精密磨床用陶瓷轴承电主轴的动态特性的研究,验证电主轴结构设计的合理性.方法 在Ansys中建立了相应的轴承-主轴系统三维有限元模型,采用了Subspace模态提取法对主轴部件进行模态分析,计算主轴前5阶固有频率、振型和临界转速,并利用锤击法对陶瓷轴承电主轴进行动态响应实验.结果 Ansys的模态分析法得出的固有频率与动态响应实验得出的频率基本一致,主轴工作转速远离其临界转速,能有效避开共振区,保证了磨床的磨削精度.结论 通过模态分析法,可以看出Ansys对电主轴的动态仿真和计算有一定的指导意义.也为下一步的谐响应分析打下基础.     

170SD30全陶瓷电主轴有限元分析及其振动性能测试

目的 测试设计的170SD30全陶瓷电主轴进行有限元分析及振动性能,验证电主轴结构设计的合理性.方法 采用有限元软件ANSYS对其三维建模并进行了模态分析,得到其前六阶固有频率和振型,分析计算出临界转速,并对装配好的全陶瓷电主轴振动性能测试及其分析.结果 ANSYS模态分析计算结果表明主轴设计工作转速远远低于其临界转速,能有效避开共振区;全陶瓷电主轴振动性能测试结果表明在设计范围内电主轴振动平稳,同时也说明在ANSYS中对模型的简化和有限元分析结果是合理的.结论 通过模态分析法和振动性能测试表明电主轴设计是可行的,也可看出ANSYS对全陶瓷电主轴的动态仿真和结构优化有一定的指导意义,为进一步动态性能分析提供依据.     

全陶瓷主轴-轴承单元的动力学研究

目的研究全陶瓷电主轴预紧力与固有频率的关系,为优化预紧力提供软件分析模型.方法应用赫兹理论计算出在全陶瓷角接触球轴承预紧后的接触应力,接触变形和静接触刚度的数值解,同时在改进传统的弹簧阻尼式主轴动力学软件仿真分析模型的基础上,计及轴承预紧后轴承的静接触刚度,以全陶瓷主轴-轴承单元为研究对象进行有限元结构分析,所得结果通过赫兹计算分析的数值解矫正,分析其动力学特性.结果全陶瓷主轴-轴承单元模型通过模态分析所得三阶固有频率和振型与模态实验分别相差19.59%、1.27%、16.06%;而电主轴传统分析模型所得三阶固有频率和振型与锤击实验分别相差24.39%、14.47%、33.78%.结论通过实验数据验证,全陶瓷主轴-轴承单元模型在分析全陶瓷电主轴动力学特性上更接近模态实验的结果,能够得到更为准确的固有频率和振型.     

加工中心电主轴动力学分析理论建模与实验研究

电主轴作为加工中心赖以实现高速精密加工的核心功能部件,其动态性能的高低决定了机床的整体发展水平。传递矩阵法是目前转子动力学分析建模最有效的数学方法。本文基于传递矩阵法对加工中心电主轴进行动力学分析,并基于MATLAB进行了实例的数值计算,最后利用物理模态实验验证了该数学模型的有效性。得到以下结论：（1）第1阶固有频率的误差约为1.2%,但是第2阶固有频率相差较大,达到12.9%;误差较大的原因是传递矩阵法属于集中质量理论,原本连续的模型被离散后,高阶频率的计算误差较大,因此该模型对于求解低阶模态参数是可靠的;（2）传递矩阵法在建立的简化模型忽略了螺钉孔和键槽等不对称细节,因此传递矩阵法得到的固有频率要比物理实验少,即得不到对称振型。     

用整体传递矩阵法计算航空发动机整机临界转速特性

介绍了用整体传递矩阵法计算航空发动机多转子要互耦合系统的固有频率特性。该方法克服了传统子结构传递矩阵法不易编制通用计算机软件的缺点,同时,用有限元法对支承机匣刚度进行了计算,并以航空发动机转子系统为例验证了方法的有效性。     

三维薄壁梁结构的动态有限元方法

本文系统地讨论了三维薄壁梁的动态有限元方法,它是从薄壁梁元素的振动微分方程出发,建立了与频率有关的位移插值函数,导出了考虑约束扭转的动态质量与刚度矩阵。本文还提出了求解动态有限元的非线性特征问题的迭代摄动法。对悬臂梁弯曲振动和简支薄壁梁的约束扭转振动的计算结果表明,动态有限元法比普通的基于静态位移插值函数的有限元法有更高的精度。     

曲面积分与局部有限元联合求解摆线锥齿轮非线性振动特性

针对重载啮合中动态传递误差所导致的非线性振动问题,以及如何准确预测和计算等摆线锥齿轮传动中的动态传递误差进一步改善这类齿轮系统振动特性,研究了在一定的运行速度和扭矩范围内摆线锥齿轮的动态响应特性,对摆线锥齿轮非线性振动特性提出了一种新的曲面积分与局部有限元联合求解方法,这种方法可以精确表达轮齿几何及轮齿接触力等对齿轮动力学性能有关键影响的因素;此外,所提出的方法无需将静态传递误差、时变拟合刚度和啮合频率变量等非线性因素作为外部的激励进行求解,而是从齿轮啮合的每一时步计算动态接触力以及动态传递误差,最终得出摆线锥齿轮的非线性振动特性,采用本方法可以较好地改善摆线锥齿轮的振动特性.     

加工中心电主轴复合“转子—轴承”系统动态特性研究

针对加工中心电主轴的结构特点和装配流程,研究了复合"转子—轴承"系统在约束边界下的动态特性和测试技术,并基于主轴端原点传递函数对比分析了有限元分析结果与约束模态测试结果。结果表明:所建立的分析模型和测试平台方法可行,能准确反映主轴在联机后的动态特性;分析模型和实验所测转子一弯、转子二弯分别对应的固有频率吻合程度较高,误差为0.57%左右;分析模型和实验所测主轴端原点传函曲线走势基本一致,吻合度高。建立的模型和测试平台能有效预测加工中心电主轴在与机床联机后的动态特性,为该系列电主轴的进一步智能优化设计和系统振动故障分析诊断与预报提供依据。     

基于传递矩阵法曲线桥的振动特性分析

根据曲线桥的结构特点,将曲线桥离散成多个无质量的曲梁单元和包含质量的刚体.刚体包含质量和转动惯量.应用传递矩阵法建立曲线箱形截面梁的振动传递矩阵,求解频率方程,得到曲线箱形梁桥的固有频率值和相应振型,分析其振动动态特性.     

高速电主轴动态特性仿真分析

在有限元软件ANSYS中对某高速磨削电主轴直接进行动力学有限元三维建模,并通过对模型较精确的单元网格划分,利用ANSYS结构动力学模块对电主轴的主轴部件进行模态分析和谐响应有限元仿真,计算了主轴前六阶的固有频率、临界转速和振型等动态特性,并进一步对主轴前端面的动态响应位移做了研究分析,结果验证了主轴结构设计的合理性,同时也为电主轴更深层的动态特性分析提供了重要参考。     

基于非线性动态特性的轴承–转子系统振动分析

随着空气静压主轴在超精密加工过程中的广泛应用,对主轴的运动精度的要求不断提高,如何准确预测和提高主轴运动精度是十分必要的。基于空气静压轴承的非线性动态特性,研究空气静压主轴的振动特性和预测模型,探索非线性动态特性分析对主轴回转精度的影响。首先,对空气静压径向轴承的动态特性进行分析,建立气膜动态流动模型,采用扰动法求解模型得到轴承的非线性动刚度与动阻尼系数。将空气静压轴承内的气膜作为弹簧阻尼系统建立轴承–转子系统,并通过动力学分析建立了轴承–转子的动态振动模型。将轴承的非线性动态特性参数引入振动模型,结合MATLAB对模型进行求解,得出了空气静压主轴径向跳动误差曲线、偏转误差曲线和径向总振动误差曲线,并通过FFT数据处理对振动进行频域分析。通过对比分析得到非线性分析对空气静压主轴径向振动误差的影响。最后,搭建了空气静压主轴径向回转误差测量试验台,得到主轴实时回转误差信号,实现轴承–转子系统的振动动力学模型分析的实验验证。从空气静压径向轴承的动态分析可以看出,轴承的动刚度和动阻尼均呈非线性变化,随着偏心率的增加动刚度不断增加,而动阻尼不断减小。从轴承–转子系统的振动分析可以看出：1）非线性分析对主轴偏角振动误差有明显影响,而对径向跳动误差的影响不明显,说明非线性分析主要通过影响主轴的偏角误差从而影响径向总误差。2）定值分析时偏角误差的最大振幅基本稳定,而非线性分析时偏角误差的最大振幅存在一个增加过程并最终趋于稳定,并且非线性分析时最大振幅明显大于定值分析时的振幅。3）在供气开始一段时间内,非线性分析与定值分析下的径向总误差基本一致,但随着时间的增加,非线性分析下的最大振幅大于定值分析下的最大振幅,说明开始供气时非线性分析对径向跳动误差和偏角误差没有造成明显影响,当供气稳定时非线性的动刚度与动阻尼会对主轴转子振动幅度产生明显影响。4）从频域上看,非线性分析最大振幅处的共振频率为964 Hz,定值分析最大振幅处共振频率为986 Hz,非线性分析使最大振幅处的共振频率有所下降。5） 非线性分析和定值分析在频率高于1 500 Hz时,转子的振幅变化都很小,说明频率大于1 500 Hz之后,转子振动比较稳定,此时气膜的振动频率与固有频率不容易发生共振。空气静压主轴回转误差实验的结果表明,基于非线性分析所得的主轴径向回转误差的误差率比定值分析所得主轴径向回转误差的误差率降低了1.43%～6.54%。因此,将空气静压径向轴承内气膜作为弹簧阻尼系统施加于转子之上可以实现轴承–转子系统的耦合振动分析,轴承非线性动态特征参数的引入实现了轴承动态性能对主轴动态振动的影响,通过基于非线性动态特性的轴承–转子系统的振动分析可以更加准确地研究和预测空气静压主轴的径向振动误差。     

Finite Element Modeling and Vibration Analysis of Sprag Clutch-Flexible Rotor System

斜撑离合器-柔性转子系统有限元建模及振动特性分析

黄创^1,2,赵永强^1*,靳广虎^3*

（1. 哈尔滨工业大学 机电工程学院,哈尔滨 150001;

2. 珠海格力电器股份有限公司,广东 珠海 519070;

3. 南京航空航天大学 直升机传动技术重点实验室,南京 210016）

摘要：

为研究高速运行工况下斜撑离合器-柔性转子系统 (SC-FRS,sprag clutch-flexible rotor system) 的整体振动特性,基于推导的斜撑离合器刚度矩阵的计算方法,建立了考虑转子柔性及轴承支撑刚度的SC-FRS的有限元模型。以此模型为基础,计算了系统的固有频率和模态振型,通过与ANSYS软件计算结果的比较,验证了本文模型正确性。同时,在不平衡量作用下,分析了系统的弯扭耦合振动和中介轴承动载荷,研究发现扭转方向的共振峰与弯曲方向的共振峰有着相同的共振频率。搭建了斜撑离合器-转子系统试验台,进行了轴心轨迹和临界转速的测试,试验结果表明使用SC-FRS的有限元模型能够较准确地描述系统的振动特性。

关键词：斜撑离合器转子系统;有限元模型;不平衡量;实验验证

     

随机参数链式机械系统动力特性分析

对求解结构固有频率的传递矩阵进行扩阶,推导了链式机械系统振动分析的扩阶传递矩阵算式．利用扩阶的传递矩阵和系统的边界条件建立了求解系统固有频率的高次代数方程,并应用数值方法求解．建立了随机性结构参数的链式机械系统动力特性分析模型,利用Monte Carlo数值模拟方法获得系统的特征值随机变量的数字特征．两个算例验证了这种模型的合理性和求解方法的正确性,计算出随机参数机械系统固有频的率均值和方差,分析了结构参数的随机性对系统动力特性的影响．     

基于轴承运行刚度分析的超高速磨削电主轴动态特性

高速电主轴正朝着高速重载与超高速轻载的方向发展,其动态特性研究是电主轴开发的关键技术之一.主轴超高速运行时轴承刚度的确定是整个研究过程的难点所在.基于滚动轴承的拟静力学模型,计算轴承的动态刚度,并考虑转速、初始预紧力、热预紧力及油膜厚度对轴承刚度的影响,确定出轴承的运行刚度.再以轴承运行刚度作为主轴支撑刚度,建立面向高速电主轴动态性能分析的参数化有限元模型,对主轴动态特性进行分析.分析结果表明,初始预紧力、砂轮悬伸长度、前后轴承跨距、前轴承对间距及电机转子内径等参数是影响磨削电主轴动态特性的关键因素.     

高速主轴部件动态设计与动态模拟的研究

本文研究了高速主轴部件的固有频率及其主振型计算机算法,建立了双支承及三支承主轴部件的传递矩阵、集中质量和均匀质量的有限元计算模型,编制了通用计算机程序。计算机实验结果表明,随着模型离散化程度的增加,计算时间的增长速度很快。为了满足工程应用精度的要求,模型离散化程度勿须很大,从而可大大节省计算时间。在三种计算方法中,传递矩阵法的计算时间大大超过有限元法,而集中质量有限元法的计算时间最少。文章还对现有国内外文献中推荐的计算轴的临界转速的公式进行了研究,并通过实例比较了该公式与用有限元法进行计算的结果,指出了这些计算公式的局限性,利用作者编制的程序,可以迅速而精确地绘制各阶主振型和主轴前端的动柔度曲线,并在彩色显示器上对主轴部件的主振型进行了动态模拟,获得了满意的结果。     

磁悬浮轴承磨床电主轴中拍振现象的分析

为减小拍振现象对高速精密磨床电主轴加工精度的影响,利用磁悬浮轴承自身的传感器及数字信号处理部件,在不外加其他设备的情况下对电主轴中的拍振进行了观察实测。通过时域、频域分析以及小波变换,提取振动信号的特征,经分析发现拍振现象是由转子机械不平衡以及转子动态偏心共同引起的。在磁悬浮轴承电主轴拍振机理的分析基础上,通过磁悬浮轴承系统的主动控制调节主轴动态特性,有针对性地对拍振现象进行抑制,可以有效改善高速精密磨床磁悬浮电主轴系统的稳定性和精密度。     

球轴承-转子系统动特性的整体分析方法

针对轴承刚度计算精度不高的问题,求解滚动轴承内圈方程组的雅可比矩阵得到滚动轴承五维刚度,对轴承刚度特性分析表明,刚度随工况变化呈显著非线性变化.考虑转子外力和不平衡力作用于轴承的载荷变化和工况变化对轴承刚度的影响以及轴承刚度对转子系统动特性的影响,提出了滚动轴承-转子系统动态特性计算的整体分析方法,使用最速下降法结合牛顿-拉夫逊法求解系统的特征值,建立了转子失稳门槛的优化模型.对某多圆盘转子的临界转速、失稳门槛计算的结果表明:考虑轴承和转子相互作用对系统动特性的影响较为显著,优化转子直径提高了失稳门槛值.本研究为转子系统动特性的准确计算提供了方法.     

惯性往复振动机械支承刚度和偏重参数的设计

建立惯性往复振动机械的力学模型和动力学方程,采用频率响应法求动力学方程的稳态解;通过激振频率和系统质量的波动对振动体振幅的影响分析,以及频率比与隔振系数和偏重参数的关系分析,提出该类振动机械合理的下限频率比;同时考虑到弹性支承在系统重力作用下的静变形应大于振动体的最大振幅,从而给出支承刚度和偏重参数设计的理论依据和方法,并通过算例进一步阐述设计方法的应用.     

直升机悬停状态下的振动计算

为降低直升机的共振危害,需要一种对直升机在空中悬停时振动特性快速计算方法.旋翼在离心力作用下,固有频率受应力刚化效应影响发生变化,同时存在旋翼桨叶/桨叶和旋翼/机身的耦合影响,动力学分析十分复杂,另一方面为提高计算效率,运动方程的低阶次、程式化成为迫切的需求.多体系统传递矩阵法(Transfer matrix method for multibody systems, MSTMM)同时解决了这两个问题.为准确快速计算悬停直升机固有频率,本研究基于MSTMM建立一种柔性四片旋翼与直升机机身耦合的动力学模型,推导出系统的动力学拓扑模型、总传递方程和特征方程.重点推导了空间旋转梁和旋转轴的传递矩阵,最终快速计算得出悬停直升机系统固有频率.研究表明:空间旋转梁MSTMM计算结果和ANSYS Workbench仿真结果对比,误差不超过2%,旋转轴MSTMM计算结果与参考文献结果基本一致;机尾固定的约束条件下,计算出36.651 9 rad/s转速下旋翼/机身耦合系统的前13阶固有频率,与ANSYS Workbench仿真结果一致,改为悬停无约束条件,计算得出悬停直升机系统前8阶固有频率,计算速度相较仿真速度提升了7.1倍,为直升机动力学分析提供一种新思路.     

弹体水中自振特性的有限元分析

鱼雷及潜射导弹在水中的自振特性直接影响它们的水弹道,而其自振特性不仅受流体动压力的影响,还受不同水深下的静水压力的影响。为研究类似结构在水中的动态特性,将结构及其周围有限域内的流体组成一个耦合系统,依据流体力学、结构动力学及变分原理推导了结构-流体耦合系统的动力学方程,进而给出了考虑介质影响的结构动力特性的数值方法。建立了液体浸没弹体的有限元模型,利用非对称法分析了弹体结构的静水模态。结果显示静水模态的固有频率比干模态有较大下降,振型类似;用考虑初应力刚度的有限元方法计算了不同水深对导弹自振特性的影响,所得结果和方法可供流固耦合方面的研究参考。