第8期 2017年8月
组合机床与自动化加工技术
Modular Machine Tool & Automatic Manufacturing Technique
文章编号：10012265(2017)08002904
D0I:10.13462/j.cnki. mmtamt.2017.08.007
No.8 Aug.2017
数控机床主轴系统动力学建模与频率特征分析
冯吉路，汪文津，田越”
（1.天津城建大学控制与机械工程学院，天津300384;2.东北大学机械工程与自动化学院，沈阳 110819)
摘要：文章采用集中质量法对机床主轴-滚动轴承系统进行了简化，基于Hertz接触理论计算了轴承组的等效接触刚度，建立了考虑弹性主轴刚度、阻尼和滚动轴承非线性接触力的十自由度数控机床主轴非线性振动分析模型，分析了在非平衡力作用下主轴滚动轴承系统的非线性动力学特征。研究结果表明：当转速低于1500r/min时，主轴系统会出现由VC频率引起的拟周期运动状态：当转速为1500~7100r/min时，主轴系统呈现周期1运动状态，系统出现了不平衡力和不对中引起的频率
成分；当转速大于7100r/min时，主轴系统会出现拟周期和混沌运动状态。关键词：主轴系统：滚动轴承：非线性动力学；稳定性
中图分类号：TH166；TG659
文献标识码：A
Dynamics Modeling and Frequency Characteristic Analysis for a Machine Spindle System
FENG Ji-lu',WANG Wen-jin',TIAN Yue
(1. School of Control and Mechanical Engineering, Tianjin Chengjian Vniversity, Tianjin 300384, China;2 School of Mechanical Engineering & Automation, Northeastern University, Shenyang 110819, China)
Abstract : In this paper, the spindle-rolling bearing system is simplified based on lump-mass method, and the equivalent contact stiffness of bearing sets is calculated based on Hertz contact theory. A nonlinear vibration analysis model of NC machine spindle with ten freedom degrees is established, which considers elastic spin-dle stiffness, damping and nonlinear contact force of rolling bearing. Under the action of unbalanced force, the nonlinear dynamics characteristics of spindle-rolling bearing system is analyzed. The results show that spindle system occurs the quasi-periodic motion caused by varying compliance frequency when the rotation speed is less than 1500r/min. The spindle system presents the period-1 motion when the rotation speed is less than 7100r/min and greater than 1500r/min, and then, the frequency components of spindle system are mainly caused by the unbalanced force and misalignment. Spindle system will appear the quasi periodic and chaotic motions when rotation speed is greater than 7100r/min.
Key words: spindle system; rolling bearing; nonlinear dynamics; stability
0引言
近年来，随着高档数控机床的市场需求量的与日俱增，主轴系统的动力学特性越来越受到研究人员的关注"。为了避免主轴高速运转生热导致的轴承烧伤，主轴系统轴承安装时通常会留有间隙，该间隙会在轴承非线性Hertz接触力和主轴非平衡力的作用下，引起主轴系统的非线性分岔和混沌现象。为此，研究人员对主轴-滚动轴承系统进行了大量的研究。其中， Yamamoto[2]研究发现Jeffcott转子的振幅会随轴承游隙的增加而降低。Tiwari等[3考虑了轴承的Hertz接触力、径向游隙以及主轴转动时的不平衡力的影响，分析了刚性转子的非线性动力学特性。Harsha等[4在数学模型中加人了Hertz接触力、表面波纹度、变柔度和内部径向游隙等非线性因素，分析了平衡转子的非线
收稿日期：2016-10-09；修回日期：2016-11-04*基金项目：国家科技重大项目（2013ZX04011-011）
性动力学特性。Lioulios等[3]分析了转子系统的非线性特性，指出速度波动对转子系统动态特性有很大的影响。Yi等[6]建立了组配轴承安装不对中问题的简化动力学模型，并提出轴承恰当的不对中安装对轴承转子系统的动力学特性可能是有益处的。曹宏瑞等[7] 利用Jones轴承模型进行扩展建立滚道轴承非线性模型，得到了主轴系统的非线性动力学模型。张伟刚等["]建立了主轴-滚动轴承的6自由度动力学方程组得到了游隙对主轴-滚动轴承系统稳定性的影响趋势。
数控机床主轴系统的轴承多以组配形式出现，目前国内外研究人员针对主轴系统的轴承组等效接触刚度和阻尼系数的报道相对较少。然而，组配轴承的等效接触刚度和阻尼系数对主轴系统的动力学特性有重要的影响。本文在精确计算前、后轴承组等效接触刚度和阻尼的基础之上，分析了机床主轴的动力学特性
作者简分数据988—），男，天津人，天津城建大学讲师，博士，研究方向为机床主轴动力学，（E-mail)fengilu23@sina.com。