振动电机主轴动态有限元分析

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1、微特电机技术创新与发展论坛论文集 振动电机主轴动态有限元分析 陈国荣1 ”，唐绍华1 ( 1 南京工业大学机械与动力工程学院，南京2 1 0 0 0 9 ； 2 南京航空航天大学机电学院，南京2 1 0 0 1 6 ) 摘 要：介绍了振动电机主轴动态有限元分析的研究背景。利用P r 0 E 软件建立了主轴的三维实 体模型，然后将其导入A N S Y SW o r k b e n c h 软件中进行动态有限元分析。对主轴的模态分析结果 表明，主轴的动刚度较为均匀，所设计的最高转速是合理的；模拟实际工况进行谐响应分析， 识别了产生共振的激振力频率，进而提出了进一步提高主轴动态特性的工艺措施。 关键

2、词：振动电机；主轴；模态分析；谐响应分析 功瑚m i 岱F 蛐t e 口e m e n tA n 村y s i s 佃S p i n 珊eo fV i b 阻t o r yM o t o r C H E NG u o r o n 9 1 ”，T A N GS h a o h u a l ( 1 N a n j i n gU l l i V 戚哆o fT e c h n o l o 影，N a n j i n g2 1 0 0 0 9 ，C h i n a ； 2 N 粕j i n gU I l i V e 璐i t ) ro fA e m n a u t i c s 明dA 8 t r o n

3、 a u t i c s ，N a n j i n g2 1 0 0 1 6 ，C h i n a ) A b s t r a c t ：7 r h er e s e a r c hb a c k g m u n do fV i b r a t o r yM o t o r sS p i n d l ed y n 舢f l i cf i n i t ee l e m e n t 跚a l y w 鸽i n * d u c e d 既e3 一Dm o d e lo fV i b r a t o f yM o t o rs p i n d l ew 弱e s 汕l i s h e db yu s

4、i n gt l eP E8 0 胁a r e ，t h e nd y - m m 1 i cf i I l i t ee l e m e n ta n a J y o fS p i n d l ew a sc a I l i e do u ti nA N S Y SW o r k b e n c h T h em D d a l 龃a l y s i 8r e 8 u l t o fs p i n d l ei n d i c a t e dt h a tt 量l ed y n 姗i cs t i 珏n e 鹊o fs p i n d l ew 鹪w e U d i s t r i b u

5、t e d 锄dt l l e m a 】【i m u mr o t a t i n g s p e e di 8r e a n a b l e 1 1 l et e c h n i q u em e a 吼珊w h i c hc 锄e I I I 柚c et h ed y l l 锄i cc h a r 丑l c t e r i 8 t i c0 f8 p i n d I ew 船 p r o p o s e db yc 缸r y i n go nt l l eh 锄o n yr e s p o n K e yW o r d s ：V i b r a t o r ym o t o r ；S

6、p i n d l e ；M o d aa n a l y s i s ；H 锄o n y 删炉n 眙卸a l y s i s 0 引言 振动电机是动力源与振动源结合为一体的激 振源，振动电机是在转子轴两端各安装一组可调 偏心块，利用轴及偏心块高速旋转产生的离心力 得到激振力。振动电机的激振力利用率高、能耗 小、噪音低、寿命长。振动电机的激振力可以无 级调节，使用方便，可以应用于一般振动机械， 如振动破碎机、振动筛分机、振动打包机、振动 落砂机、振动造型机、振动打桩机、振动提升机、 振动充填机等等。在长距离振动输送机、概率振 动筛等变载荷振动机械中，由于载荷的变化幅度 较大，且多为冲击或交变载

7、荷，使得作为动力源 与振动源的振动电机寿命大为缩短，其中振动电 机阶梯主轴的弹塑性变形又加速振动电机的失效， 基金项目：国防科工委。十一五”军品配套研制项目( J 孵r 1 1 5 2 - 1 2 3 3 ) 因此研究振动电机主轴的动态特性，进而合理设 计其尺寸与结构，是解决振动电机过早失效的主 要手段之一。 振动电机主轴实现旋转运动的重要执行件， 其主要工作性能表现在旋转精度、静刚度、动态 特性与热稳定性四个方面，其中动态特性又是最 基本的性能，直接影响到振动电机的工作稳定性。 对于普通电机主轴动态特性早已有了充分的研究， 有大量的文献资料可供参考，而对振动电机则很 少。国内外的研究表明，振

8、动电机主轴的动态特 性包含许多工艺因素，如加工质量、装配质量、 主轴轴承预紧量等，使测定值与计算值之间有较 大的差异，而且测定值的分散度相当大，用作设 计计算的指标既不适宜，又不方便。为了解决这 个问题，本文将对一种精密振动电机主轴的动态 特性进行有限元仿真研究，为电机主轴的设计提 供理论依据和改进措施。 一9 9 振动电机主轴动态有限，c 分析 1电机主轴仿真模型建立 运用P E 软件建立振动电机主轴的j 维实体 模型如图l 。同时利用A H s Y s w m k b e n c h 软件强大 的甩格划分功能、加载求解功能和强大的后扯理 功能进行c A E 分析，模拟振动电机的实际工作状

9、况评价仿真结果得出相关分析结论。 涵- 幽 圈1 士轴。维实体模型 P m E 软什与A N s Y sw o r k h n c h 软件之刚具有 良好的无缝连接特性可以把I ) f 0 E 所建的模型直 接导 N s Y sw o r k b e n c h 进行有限元分析。根据 设计要求，主轴采用4 5 # 钢制造，材料为各向同 性介质均匀。由于丰轴是阶梯轴，形状较为复 杂，难以控制，所以阿格采用A N s Y sw o b e n c h 中的智能分网方法( s m 矗ns l ) 。A N s Y sw o A - b e n c h 在智能分嘲控制巾将网格精度分为l O 级， 其中

10、默认的是6 级，1 级为最精细级1 0 级为最粗 糙级。考虑到主轴不属于太件结构，为了提高仿 真计算精度，本文取4 级分阿精度。在单元的选取 上选用* l d 4 5 单元，这是一种三维吏体单元，每 个单兀古8 个声点。划分后主轴有限无模型的社点 数为1 5 1 7 ，单兀数为6 7 0 ，阿格生成见圈2 。 凶 一 z 圈2 土轴的有限元模 2 电机主轴的有限元模态分析 振动电机主轴在实际上作状态下山J 。频繁 的起动q 停止容易造成冲击，并l i 也町能由于 外界的激励形成振动，在主轴内部引起较= 的动 态应力造成主轴的破坏，影响到振动电机的加 工精度，因此动态分析是必不可少的。通常动态

11、分析分为模态分析和动力响应分析，通过试验模 态分析结合参数识别理论来得到系统的动态参数 和特性，尽许精度较高但比较复杂，因此本史 一1 0 0 一 将对振动电机丰轴进行钉限儿模态仿真研究。 2 1 主轴有限元模态分析的理论基础 模态分析州于确定设计中的结构或机器部件 的振动特件即计算它们的固有频率和振型，振 动电机主轴动志特性( 固有频率压振型) 的计算基 于线弹性结构系统。具有有限个自由度的线弹性 系统的运动疗程为： M 6 + C 6 + x 5 = p ( f )( 1 ) 式中， f 为质量矩阵；c 为阻尼矩阵；为位移矩 阵；6 为位移向量；P ( t ) 为作用力向母；为l i 搁。

12、 振动电机主轴各点对载荷的响应可以看成是 主轴系统在无阻尼自由振动状态下的固有频率和 振型参数组成的各阶振型模态的叠加，即当P ( ) = 0 时，忽略阻尼的影响，方程变为t 村6 + 脚= 0( 2 ) 这个常系统线性齐趺微分方程的解为： l = 0 s m ( “+ 日)( 3 ) 式中，$ 为振幅列阵；m 为圆频率；日为初相位。 将式( 3 ) 代 式( 2 ) 可得 ( 目一M ) 西= 0( 4 ) 式( 4 ) 中有非零解的条件足 K 2 村= O( 5 ) 从式( 4 ) 、式( 5 ) 解得主轴的固有频率。以盟 对应的主振型 士 ( 1 = l ，2 ，R ) 。 对于高阶特征

13、值系统的求解，势必花费大量 的计算时间。一般振动电机主轴只需求前几阶较 低的振动频率与振型，因为低阶振动对主轴结构 的影响最大。原因是大型振动电机系统的自由度 虽然很多，但往往微励的高频成分很弱或是系统 的高频成分对振动的贡献度很低。求解主轴最前 面的右限阶特征值_ 特征向母可采用于空间选 代法。 2 2 模态分析的边界条件 在典刊有限元模态分析中唯有效的“载荷” 是零位穆约束，其他载荷叮以在模态分析中指定 但在模态提取时将被忽略，固而贝给有限元模型 施加约束边界条件。边界条件决定各阶模态的形 状。仞始条件在f 山振动时决定各阶模志参，振 动的程度。在本文的研究中，主轴模态分析的边 界条件蹦主

14、轴两端面固定约束的形式给出。 微特电机技术创新q 发展论坛论文集 23 有限元模态分析结果与讨论 奉文运用A N s Y sw o r k b e n c h 软件模态分析中 的于空问选代法，对主轴的前4 阶振动特性进行分 析，在无阻尼、自由振动这两种假设情况下，进 行固有频率和振型的有限元求解。前4 阶结果见表 l 和图3 。 表l 主轴前4 阶固有擐率 阶数 l234 固有颍率H z 3 5 60 53 5 7l I10 H910 5 84 * y # 自* 自黼翁M ：； 当轴以临界转速旋转时，主轴的挠度将达到 最大值，到达“临界”状态时，主轴将强烈振动， 导致轴寿命的下降，甚至破坏主轴

15、。将主轴的同 有频率转化为临界转速见表2 。所设计丰轴的最 高工作转速为n = 2 00 0 0 m I n ，小于备阶临界转 速，能有效地避开共振区，即所设计的最高转速 是合理的。 裹2 主轴的临界转速 罗罗 - 。+ h 1 f ) 镕一日 f h 】一m 露秽 目3 轴前4 阶振 从图4 的振型图中可以看出，主轴的振斑幅值 小大高阶频率的激励时主轴的振动影响也不太， 临H 整体变形比较均匀，说明该主轴的整体动刚 度和质量分布较为均匀，结构设计有利于主轴的 动力学性能。 3 主轴的谐响应分析 由于振动电机属于将动力源和振动源合为一 体的电动旋转式激振源，在振动电机主轴两端分 别装有偏心抉，

16、工作时电机主轴带动两偏心块做 回转运动产生周期性激振力F = ，咖“( 其中，为 施加载荷) 。由此电机主轴受到偏心块施加的变载 荷冲击，极易产生变形或疲劳破坏，尤其当激振 力的频率与阶梯轴的固有频率相同时，就会发生 菇振造成电机的严重破坏因此对电机主轴进 行谐响应分析f 分必要。 谐响应分析是用于确定线性结构在承受随时 间接正弦( 简谐) 规律变化的载荷时稳态响应的一 种技术。分析的目的是计算结构在几种频率下的 响应井得到一些响应值对频率的曲线。该技术只 计算结构的稳卷受迪振动，不考虑结构发生在激 励开始时的瞬态振动。谐响应分析使设计人员能 预测结构的持续动力学特性，从而能够验证其设 计足否能够克服共振及其他受迫振动应起的有害 效果。本文枉模态分析基础上利用模态叠加法， 对主轴进行谐响应分析得到了主轴在工作状态 下心周期性激振力作用的动力学响应。 根据实际工况，加载的激振力的