高速磨削用电主轴结构动态优选设计
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化的临界点移至 *#"" 左右； 电机转子内径增加 后， 主轴的临界转速提升非常明显， 特别是在砂轮 杆长较短时， 每增加 #"" 内径， 临界转速约提升 ’- /. ， 并随砂轮杆长增加， 提升量减小。粗磨工 况下， 临界转速随电机转子内径增加而增大， 转子 内径每增加 #""， 大约能提高临界转速 ’- (. ， 对 较长砂轮杆优化效果同样明显。 （’） 优选设计方案! 综合考虑上面各个因 素， 优选设计方案如下： 缩小支撑跨距 &$""， 其 中前后轴 承 轴 肩 长 度 各 减 少 *""； 铁芯内径从 ’$"" 增加到 ’#""。 优选设计前后的电主轴动态特性对比如图 / 所示。
)
图 #" 电主轴的动力学模型
第 & 段 - 字形部分是由砂轮简化的质量盘， 中间 字形的部分是由电机转子简化的质量盘。 !! 和 !. 分别为前后支撑轴承角刚度和径向刚度。 ! ( #" 动态分析软件的开发 笔者基于 !"#$"% 工具编写了一套基于 /0的电主轴动态特性的分析计算软件。图 + 为电主 轴分析软件的计算流程图。 为操作方便， 本软件提供一个用户界面。所 有需要用户手工输入的参数完全显示在用户界面
&’ 电主轴系统动力学分析
! ( !" 动力学建模 磨削用电主轴的轴系结构如图 & 所示。它主 要由角接触轴承、 电机转子、 砂轮杆和砂轮等 ) 个 部分组成。
图 +’ 电主轴动态分析软件流程图
上。在界面左侧输入各个轴段参数， 包括轴段长 度、 轴段直径、 转盘厚度、 转盘直径和转盘材料密
&( 接触轴承’ *( 电机转子’ +( 砂轮杆’ 削用电主轴结构动态优选设计— — —钱’ 木’ 蒋书运 轴系统的影响， 但仅使用了简化的轴承刚度经验 模型。然而， 目前尚未见到综合运用传递矩阵方 法和滚动轴承分析理论对高速电主轴进行动态优 选设计的报道。 本文基于传递矩阵法和滚动轴承分析理论， 建立了电主轴动态设计方法， 运用 !"#$"% 工具开 发了磨削用主轴动态设计通用计算软件， 以某款 高速磨削用电主轴为背景， 完成了主轴系统的优 选设计。
作者简介： 邓长华， 男， $%RC 年生。西北工业大学工程力学系博士 研究生。主要研究方向为振动控制与边界识别等。任建亭， 男， $%GC 年生。西北工业大学工程力学系副教授。任兴民， 男， $%G& 年生。西北工业大学工程力学系教授。高跃飞， 男， $%G& 年生。 西北工业大学工程力学系博士研究生。
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［!］ " 傅志方# 振动模态分析与参数辨识# 北京： 机械工业 出版社， $%%& ［’］ " ()*+ ,， -)* . /， 01* . /# 231*4 .4155*677 896*4151:)413* ;71*+ -<- =6)7>?6@6*47# A3@B>46?7 )*9 .4?>:4>?67， !&&’ ， C$ （ !% ） ： !DE% F !DDG ［E］ " 2>)*+ 2 H， I)BB) < .# J* K1+6*7L746@ <6)M1N)413* JMO +3?14P@（ K<J）53? =39)M I)?)@646? 896*4151:)413* )*9 =396M <69>:413*# J8JJ 23>?*)M 35 +>19)*:6，A3*4?3M )*9 QL*)@1:， $%CD ， C （D） ： G!& F G!R ［D］ " =33S Q 2， 2>*S1*7 2 0# =1*1@>@ =396M K??3? K741@)O 413* 53? I33?ML =396M69 QL*)@1: .L746@# J8JJ 23>?*)M 35 T>19)*:6，A3*4?3M )*9 QL*)@1:， $%CC ， $$ （E） ： ’GR F ’RD ［G］ " 朱桂东， 崔祜涛， 郑钢铁， 等# 框架结构振动分析的
中国机械工程第 &) 卷第 &$ 期 #$$* 年 * 月下半月 呈现下降的趋势， 但在粗磨时下降趋势更加剧烈。
! ! ! ! 表 !" 标准砂轮杆结构参数
外径 #$ ($ )’ &$$ 砂! ! 轮 内径 % &) #* ’) 厚度 #$ ’# ($ ($ 直径 &’ #* ($ *)
长度增加而变化的情况。
中国机械工程第 $G 卷第 $& 期 !&&D 年 D 月下半月
高速磨削用电主轴结构动态优选设计
钱" 木" " 蒋书运
东南大学， 南京， !$&&%G
" " 摘要： 考虑滚动轴承径向刚度随转速非线性变化， 运用传递矩阵法对电主轴的临界转速和 静刚度特性进行了系统的研究， 用 =)4M)Y 工具开发了一套具有自主知识产权的动态计算分析 软件。以某款精密高速 （ D$ &&&? [ @1*） 磨削用电主轴为对象， 分析了主轴结构参数与砂轮参数 对主轴动态特性的影响， 并对主轴结构进行了优选设计。结果表明， 基于传递矩阵法编制的电 主轴动态设计软件运行可靠、 操作简便， 可应用于电主轴的动态设计与快速开发。经优选设计 后， 电主轴的一阶临界转速和主轴端静刚度均有较大幅度的提高。 关键词： 电主轴； 转子动力学； 传递矩阵法； 动态优化 中图分类号： ,/$’’" " " 文章编号： $&&E W $’! ! （ !&&D ） $& W &CGE W &D !"#$%&’ ()*&%&+$*&,# ,- $ .&/0 1)223 4,*,5&+23 1)Ū \1)* =>" " 21)*+ .P>L>* .3>4P6)74 ;*1Z6?714L ，H)*]1*+， !$&&%G 789*5$’*： ,P6 ?343? 9L*)@1: :P)?):46?1741:7 35 ) P1+P W 7B669 @343?1N69 7B1*9M6 V)7 :)M:>M)469 ，VP1M6 :3*7196?1*+ 4P6 *3*M1*6)? Z)?1)413* 35 Y6)?1*+ ?)91)M 74155*677 V14P 1*:?6)76 35 ?34)413*)M 7B669 ，4P6 :?141:)M )*9 ) 7354V)?6 B):S)+6 V)7 96Z6M3B69 >71*+ =)4M)Y# ,)S1*+ P1+P 7B669 7B669 )*9 74)41: 74155*677 35 4P6 7L746@， @343?1N69 7B1*9M6 )7 )* 3Y]6:4 ， 4P6 6556:47 35 74?>:4>?6 35 7B1*9M6 )*9 +?1*91*+ VP66M 3* 9L*)@1: :P)?):46?1741:7 V6?6 )*)MLN69 )*9 9L*)@1: 3B41@1N)413* 35 7B1*9M6 V)7 @)96 YL 4P6 7354V)?6# ,P6 ?67>M47 7P3V 4P)4 4P6 7354O V)?6 17 6556:41Z6 ，74)YM6 )*9 >76? W 5?16*9ML# ,P6 51?74 3?96? :?141:)M 7B669 )*9 74)41: 74155*677 35 4P6 7B1*9M6 1*O :?6)767 +?6)4ML )546? 3B41@1N)413*# :2" ;,539： @343?1N69 7B1*9M6；?343? 9L*)@1:7； 4?)*756? @)4?1^ @64P39； 9L*)@1: 3B41@1N)413*
&" 引言
电主轴正朝着高速大功率的方向发展， 所以 高速下主轴的动态特性显得尤为重要。近年来， 国内 外 对 此 进 行 了 大 量 的 研 究， 如 JMO.P)?665 等
［ $］
件质量所起的作用， 比较了连续模型和离散模型
［ !］ 之间的计算差异； _)*+ 等 利用有限元方法分析
了主轴跨距对主轴动特性的影响， 并进一步采用 子结构法和成熟商业软件 J*7L7 进行计算； ‘6M]SO
［ E］ AP6* 等 在考虑高转速下轴承刚度非线性变化
的基础上， 分析了转速、 轴端载荷和磨削颤振对主
行波方法# 应用力学学报， $%%C ， $D （E） ： G& F GD ［R］ " U6)M6 0 .， J::3?71 = 0# I3V6? -M3V 1* ,V3 )*9 ,P?66 W 91@6*713*)M -?)@67 .4?>:4>?67# 23>?*)M 35 .3>*9 )*9 X1Y?)413*， $%%D ， $CD （E） ： GCD F R&! ［ C］ " /)MSL)?9 A <， =):6 U <# .4?>:4>?)M 8*46*714L 1* U6)@7 W V)Z67，,?)*79>:6? .L746@7 )*9 4P6 A3*91413*1*+ I?3YM6@# 23>?*)M 35 .3>*9 )*9 X1Y?)413*， $%%D ， $CD （!） ： !R% F !%C （ 编辑" 郭" 伟）
