超高速磨床主轴系统动态特性仿真分析与实验研究

论文摘要

超高速磨削技术是21世纪最新的高效磨削技术。它既能大幅度提高效率,又能显著的改善磨削加工质量。主轴部件是磨床最为关键的部件,其动、静态性能对机床的最终加工性能有非常重要的影响。因此,国内外对主轴部件的动、静态性能展开了广泛、深入的研究,提出了多种对主轴系统动力学特性进行仿真分析的方法；对动静压轴承的承载能力以及油膜压力与偏心距的关系等从理论和仿真方面也做相当多的研究。但是,总的来看研究还缺乏系统性,一些影响主轴动力学分析精度的关键问题,例如轴承动力学特性的模拟、主轴系统结合面的建模以及超高速磨削状态下磨削力对主轴系统的动态影响等,还未得到有效的解决,分析过程中也没能够进行综合考虑。首先综述了国内外关于磨床主轴系统动态特性和动静压轴承方面的研究概况和相关技术。在此基础上,结合本文所涉及的超高速磨床主轴系统特点基于动力学、’动静压轴承等理论建立主轴系统的稳态性能数学模型,对其展开一系列研究,对其静、动态特性进行理论、仿真、实验研究,通过所求解的结果进行对比分析,了解其动态特性及影响因素。验证了利用有限元方法简化动静压轴承、建立主轴系统数学模型、求解主轴系统动态性能的可行性和准确性。本论文的主要研究工作有如下几个方面：(1)介绍了现有动静压主轴系统的结构特点,结合磨削加工特点,对主轴系统进行静刚度分析,了解其静态性能。(2)研究了现行动静压轴承分析的方法,分析油膜工作机理,利用雷诺方程对油膜压力进行求解,推导其动态参数；利用Fluent建立油膜有限元模型,对油膜压力进行求解,通过仿真分析的数字化方法了解油膜动态性能。(3)建立主轴系统动力学模型,简化其结构和载荷,将动静压轴承简化为弹簧、阻尼系统,用有限元法对其进行模态求解、振型提取以及谐响应分析,分析其动态特性性能,考察其在动载荷激励作用下的稳定性,并对主轴系统进行优化计算,获得最优设计参数。(4)对超高速磨床主轴系统通过模态参数拾取法对其进行模态分析,根据获得的加速度导纳曲线,提取其模态参数、阻尼比,建立主轴系统的运动微分方程,研究主轴系统的动态性能。通过实验分析结果与有限元分析结果进行比较,验证了主轴系统有限元分析的准确性和可行性,以及对动静压轴承动态特性参数化的可靠性,分析出现误差的原因,对动力学参数进行修正,并对其它结构形式的主轴系统动力学分析提供理论依据和参考借鉴。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 研究背景及意义
• 1.2 磨床主轴动静态特性研究的发展现状
• 1.2.1 国内相关研究现状
• 1.2.2 国外相关研究现状
• 1.3 主轴系统动态特性影响因素
• 1.4 主轴系统动态特性求解方法概述
• 1.4.1 有限元法
• 1.4.2 传递矩阵法
• 1.4.3 实验分析法
• 1.4.4 集中参数法
• 1.5 动静压混合轴承相关研究概况
• 1.5.1 动静压混合轴承的优点
• 1.5.2 动静压混合轴承的工作形式
• 1.5.3 动静压混合轴承的研究现状
• 1.6 论文的主要工作
• 第2章 主轴系统结构介绍及其静力分析
• 2.1 超高速磨床主轴系统简介
• 2.2 液体动静压混合轴承的工作原理
• 2.2.1 回油槽
• 2.2.2 油腔数目
• 2.2.3 油腔形状
• 2.3 磨削加工的特点
• 2.3.1 磨削加工机理分析
• 2.3.2 磨削力、磨削力比及比磨削能理论
• 2.4 超高速磨床主轴系统静力分析
• 2.4.1 弯扭校核
• 2.4.2 基于有限元的主轴系统静刚度分析
• 2.5 本章小结
• 第3章 动静压轴承油膜动态特性仿真与计算
• 3.1 引言
• 3.2 润滑油膜的形成原理
• 3.3 轴承间隙函数求解
• 3.4 滑动轴承油膜动力特性系数的识别方法
• 3.5 Reynolds方程求解及其假设
• 3.6 动静压轴承油膜压力仿真
• 3.6.1 动静压轴承油膜有限元模型的建立
• 3.6.2 油膜压力仿真结果及其分析
• 3.7 本章小结
• 第4章 主轴系统动态特性仿真分析与优化
• 4.1 引言
• 4.2 有限元分析基本思想
• 4.3 基于MD.Nastran的模态分析
• 4.4 模态分析理论
• 4.4.1 概述
• 4.4.2 主轴系统模态分析理论
• 4.4.3 主轴系统临界转速计算
• 4.5 主轴系统动力学模型的建立及模态分析
• 4.5.1 三维实体模型的结构简化
• 4.5.2 有限元网格划分
• 4.5.3 结合部、边界条件的简化
• 4.5.4 有限元分析结果及分析
• 4.5.5 主轴系统优化设计
• 4.6 主轴系统谐响应分析
• 4.6.1 谐响应分析理论
• 4.6.2 响应分析结果及分析
• 4.7 本章小结
• 第5章 主轴系统实验模态分析
• 5.1 引言
• 5.2 实验模态分析相关技术概述
• 5.2.1 峰值拾取法
• 5.2.2 Ibrahim时域法
• 5.2.3 最小二乘复指数法
• 5.2.4 曲线拟合法
• 5.2.5 半功率带宽法求阻尼比
• 5.3 测试系统及实验设备
• 5.3.1 激励部分
• 5.3.2 信号测量与采集系统
• 5.3.3 本实验所用设备仪器
• 5.4 测试方法与流程
• 5.4.1 实验测点布置
• 5.4.2 测试时应注意的问题
• 5.5 实验结果分析
• 5.6 结论
• 第6章 结论与建议
• 6.1 结论
• 6.2 建议
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士研究生期间发表论文情况