高速轧辊磨床微进给机构动力学分析.pdf

第1 4 卷第6 期2 0 0 7 年1 2 月工程设计学报J o u r n a lo fE n g i n e e r i n gD e s i g nV o I 1 4N o 6D e c 2 0 0 7高速轧辊磨床微进给机构动力学分析顾伟彬，姚振强，胡俊(上海交通大学机械与动力工程学院，上海2 0 0 0 3 0)摘要：以高速轧辊磨床微进给机构为研究对象，利用H Y P E R M E S H 建立各零部件的有限元模型，并在A N S Y S中采用弹簧阻尼器单元C O M B I N l 4 建立各结合部的动力学模型，从而建立微进给机构整体有限元模型，进行了模态分析和谐响应分析，得到微进给机构前l o 阶模态，识别了微进给机构的薄弱环节，从而为微进给机构的设计改进提供依据关键词：轧辊磨床，微进给机构；有限元法；动力学分析中图分类号：T H l 2 2文献标识码：A文章编号：1 0 0 6 7 5 4 X(2 0 0 7)0 6 一0 4 6 0 0 4D y n a m i ca n a l y s i so fm i c r o f e e dm e c h a n i s mi nh i g h s p e e dr O l l e rg r i n d i n gm a c h i n eG UW e i 七i n，Y A 0Z h e n q i a n g，H UJ un(S c h o o lo fM e c h a n i c a lE n g i n e e r i n g，S h a n g h a iJ i a o t o n gU n i v e r s i t y，S h a n g h a i2 0 0 0 3 0，C h i n a)A b s t r a c t：B yt a k i n gm i c r o f e e dm e c h a n i s mo fh i g h s p e e dr o l l e rg r i n d i n gm a c h i n ea st h eo b j e c t，t h eo v e r a l lf i n i t ee l e m e n tm o d e lw a se s t a b l i s h e d I nt h ea b o v em o d e l，t h ef i n i t ee l e m e n tm o d e lo fc o m p o n e n t sw a se s t a b l i s h e di nH Y P E R M E S H，a n ds p“n g d a m p e re l e m e n tC o M B I N l 4i nA N S Y Sw a sa d o p t e dt ob u i l dt h ed y n a m i cm o d e l so fe a c hj o i n t F u r t h e r m o r e，m o d a la n a l y s i sa n dh a r m o n i cr e s p o n s ea n a I y s i sw e r ec a r r i e do u ta n dt h ef i r s tt e nf r e q u e n c i e sa n dm o d es h a p e sw e r eo b t a i n e d T h ew e a kp o i n t so fm i c r o f e e dm e c h a n i s mw e r ei d e n t i f i e d，w h i c hp r o v i d e de v i d e n c ef o rt h eo p t i m i z a t i o nd e s i g no ft h i ss t r u c t u r e K e yw o r d s：r 0 1 l e rg r i n d i n gm a c h i n e；m i c r o f e e dm e c h a n i s m；F E M；d y n a m i ca n a l y s i s高速轧辊磨床是现代工业生产中一种不可缺少的重要的生产设备，主要用于冶金、造纸等行业作为高速轧辊磨床的重要组成部分，其进给机构在磨削过程中要作连续或断续的运动，并受到砂轮等高速转动部件的不平衡惯性力的影响因此，进给机构动态性能的好坏直接关系到高速轧辊磨床的加工精度以及精度稳定性高速轧辊磨床微进给机构由底座、砂轮架、闭式静压导轨、滚珠丝杠、电主轴和砂轮等部分组成各零部件之间由多种不同类型的结合部进行连接，组成一个非常复杂的动力学系统单纯对各零部件进行分析无法全面反映微进给机构的性能，只有进行整机的动力学分析才能够准确预测结构整体的动态特性，从而为改进设计提供正确的指导意见 1 本文以高速轧辊磨床微进给机构为研究对象，利用有限元法对其进行理论建模，并进行动力学分析，识别出微进给机构的薄弱环节与共振区域，为微进给机构的设计改进提供依据1高速轧辊磨床微进给机构有限元模型的建立1 1结构模型的简化与网格划分有限元模态分析和谐响应分析主要与结构总体的质量和刚度分布有关，要求模型能够反映正确的固有频率以及相关振型即可因而，在建模时忽略了零件上小的螺栓孔、油道、油孔以及结构结合处的倒圆和倒角，这样既减少了建模工作量，又能够保证分收稿日期：2 0 0 7 一0 6 1 2 基金项目：上海市科委产学研重大科研项目(0 5 d z l l c 0 4)作者简介：顾伟彬(1 9 8 3 一)，男，江苏苏州人，博士生，从事超精密加工工艺及装备研究，E m a i l：w e i b i n g u s j t u e d u c n 万方数据第6 期顾伟彬，等：高速轧辊磨床微进给机构动力学分析析结果的准确性本文采用自动划分和人工干预相结合的方法对各零件进行网格划分这些零件形状均比较规则，故采用六面体等参网格单元进行建模所建有限元模型的单元总数为1 1 48 7 3 个，其中包括1 1 47 1 7 个S O L I D 4 5 单元和1 5 6 个C o M B I N l 4 单元1 2 结合部的建模微进给机构中采用螺栓、导轨、轴承等联接方式将各个零部件联接在一起，构成复杂的动力学系统这些零部件之间相互结合的部位称为结合部当这些结合部受到由砂轮不平衡质量所引起的动载荷作用时，结合面间会产生多自由度、有阻尼的微幅振动，从而使结合部有可能表现出既有弹性又有阻尼、既储存能量又消耗能量的“柔性联接”的特性这种特性将对结构整体的动态性能产生显著影响，表现为使结构整体刚度降低、阻尼增加，从而导致结构固有频率降低，振动形态复杂化 2 因此，结合部的建模合理与否直接关系到微进给机构建模、模态分析以及谐响应分析的正确性微进给机构中各结合部均为柔性联接，这种联接方式可以用弹性元件和阻尼元件来模拟，即每一结合点上的每一个自由度方向都用一对弹性元件和阻尼元件来进行联接c 2 如图1 所示，设零件A 与零件B 之间为柔性联接零件A 的对接点A，在口方向的振动位移为锄。=A e 泌，所受到的作用力为。=F 。e h；零件B的对接点鼠在口方向的振动位移为弧。一A B e h，所受到的作用力为 一F B e h 故两对接点A，和鼠的振动位移与所受作用力应满足如下关系：=(二。6)+汹(-二。-=)三：=K，三：!图l 结合部等效动力学模型F i g 1T h ee q u i v a l e n td y n a m i cm o d e lo fj o i n t s本文使用A N S Y S 中的弹簧阻尼器单元C O M B I N l 4 来连接相互接触的零部件，并根据各结合部具体的结合条件与结合状态，确定结合点位置分布、结合点数目以及每个结合点上的自由度数，从而建立结合部的等效动力学模型其中C o M B I N l 4 的刚度与阻尼参数利用吉村允孝积分法确定，结合点处各个方向上的等效弹簧刚度和等效阻尼系数分别为：K；一盯五1(P。)d z 如一K。，K，一1 I 五2(P。)d z d z，K 鼬：r r(y 2+z z)五1(P。)d z d z，K 缸一r r 名2 五2(P。)d z d z，K 如一l Iy 2 志2(P。)d z 如，e 一限，(P。)d z d z e，c，一胁捌2，c 曲一I l(y 2+z 2)f l(P。)d z d z，mc 缸一l lz 2 f 2(P。)d z d 2，一汀y z f 2(尸。)捌z，式中，五，(P。)为切向单位面积的等效刚度，是。(只)为法向单位面积的等效刚度，f l(P。)为切向单位面积的等效阻尼，f：(P。)为法向单位面积的等效阻尼这些数据可根据结合部所受平均接触压力等结合状态参数从吉村允孝通用数据库中查得2-3 图2 所示为微进给机构的有限元模型图2 徽进给机构有限元模型F i g 2F E Am o d e lf o rt h em i c r o f e e dm e c h a n i s m 万方数据工程设计学报第1 4 卷2 模态分析需冀黧勰鼻霎薯翥篆淼嚣本文采用B l o c kL a n c z o s 算法来求解微进给机1 0 阶固有频率，如表1 所示并通过模态扩展得到构低阶固有频率与振型，该算法采用稀疏矩阵求解前3 阶模态振型，分别如图3 至图5 所示表1 微进给机构前l O 阶模态固有频率T a b l elT h ef i r s t1On a t u r a lf r e q u e n c i e so ft h em i c r o f e e dm e c h a n i s m图3 第1 阶振型图(4 6 5 0 2H z)F i g 3T h ef i r s tm o d es h a p e(4 6 5 0 2H z)图4 第2 阶振型图(6 0 5 0 8H z)F i g 4T h es e c o n dm o d es h a p e(6 0 5 0 8H z)从微进给机构前3 阶振型图可以看出，由于微进给机构零部件较多，并存在着多处结合部，因此各阶振动形态都比较复杂第1 阶振型主要表现为砂轮架绕Z 轴方向的摆动和滑台绕y 轴的摆动第2阶振型主要表现为砂轮架绕y 轴的摆动第3 阶振型主要表现为砂轮架绕y 轴和z 轴摆动的复合振动由此可见砂轮架与滑台之问的螺栓结合部以及滑台、底座和导轨之间的滑动结合部是整个微进给机构的薄弱环节围5 第3 阶振型图(9 0 0 4 lH z)F i g 5T h et h i r dm o d es h a p e(9 0 0 4 1H z)3 谐响应分析谐响应分析用于确定结构在简谐激励下，即随时间按正弦规律变化的载荷作用下的稳态响应分析的目的是计算出结构在几种频率下的响应，并得到一些响应对频率的曲线 4-6 本文在模态分析基础上利用模态叠加法，对微进给机构进行谐响应分析，得到了微进给机构在砂轮不平衡惯性力作用下的动力学响应图6 所示为砂轮与工件接触点X，y，Z 方向振幅与砂轮转速之间的关系从图中可以得到以下结论：(1)砂轮转速为o 1 00 0 0r m i n 时，各个轴方向上的最大振幅均在O 4 肛m 以下(2)砂轮转速为O 1 00 0 0r m i n 时，X，y 和Z轴方向上振幅均出现3 处峰值，其临界转速与对应的最大振幅如表2 至表4 所示(3)根据表中数据并结合模态分析结果，可以看出临界转速集中在36 0 0，6o o o，78 0 0r m i n 附近，分别对应于第2 阶(6 0 5 0 8H z)、第4 阶(9 8 5 1 9H z)和第5 阶(1 3 0 4 0H z)模态，即这3 阶模态是系统的薄弱模态，由砂轮不平衡量引起的不平衡惯性 万方数据第6 期顾伟彬，等：高速轧辊磨床微进给机构动力学分析4 6 3 E，暑b垂鞲转速(1 0 3 r，m i n)图6 振幅与转速关系图F i g 6T h er e l a t i o n s h i pb e t w e e na m p l i t u d e sa n dr o t a t es p e e d s力激发了这3 阶模态的共振(4)由模态分析结果可知，砂轮架与滑台之间的螺栓结合部以及滑台、底座和导轨之间的滑动结合部是整个微进给机构的薄弱环节，结合(3)中所得到的结论，建议在避开共振区域的前提下，可以通过增加结合部预紧力以及提高结合面加工质量等措施，提高结合部的刚度，从而提高微进给机构的低阶固有频率，改善其动态特性 3 7 表2x 轴方向上的临界转速及对应的最大振幅T a b l e2T h ec r i t i c a lr o t a t es p e e d sa n dc o r r e s p o n d i n ga m p l i t u d e sa l o n gXa x i s表3y 轴方向上的临界转速及对应的最大振幅T a b l e3T h ec r i t i c a lr o t a t es p e e d sa n dc o r r e s p o n d i n ga m p l i t u d e sa l o n gya x i s表4z 轴方向上的临界转速及对应的最大振幅T a b I e4T h ec r i t i c a lr o t a t es p e e d sa n dc o r r e s p o n d i n ga m p l i t u d e sa l o n gZa x i s4 结束语本文通过有限元法建立微进给机构的理论模型，并进行了整体模态分析和谐响应分析，初步识别了微进给机构的薄弱环节，并提出了改进设计意见此方法简单、快捷，通用性强，有利于在设计初级阶段以及结构设计优化阶段对机械结构的动态性能进行预测与改进参考文献：1 毛海军，孙庆鸿，陈南基于子结构阻抗匹配与优化拟合的高精度磨床整机动力学建模研究 J 中国机械工程，2 0 0 2，1 3(5)：3 7 6 3 7 8 M A OH a i j u n，S U NQ i n g h o n g，C H E NN a n D y n a m i c sm o d e l i n gr e s e a r c ho fah i g hp r e c i s i o ng r i n d e rb a s e do ns u b s t r u c t u r ei m p e d a n c em a t c ha n do p t i m i z a t i o nf i t t i n gm e t h o d J c h i n aM e c h a n i c a lE n g i n e e r i n g，2 0 0 2，1 3(5)：3 7 6 3 7 8 2 廖伯瑜，周新民，尹志宏现代机械动力学及其工程应用：建模、分析、仿真、修改、控制、优化 M 北京：机械工业出版社，2 0 0 3 L I A 0B o y u，Z H o UX i n m i n，Y I NZ h i h o n g M o d e r nm e c h a n i c a ld y n a m i c sa n da p p l i c a t i o n：m o d e l i n g，a n a l y s i s，s i m u l a t i o n，m o d i f i c a t i o n，c o n t r 0 1，o p t i m i z a t i o n M B e i j i n g：C h i n aM a c h i n eP r e s s，2 0 0 3 3 黄红武，赵小青，宓海青，等基于有限元的超高速平面磨床整机动力学建模及模态分析 J 湖南大学学报：自然科学版，2 0 0 5，3 2(4)：3 9 4 2 H U A N GH o n g w u，Z H A 0X i a o q i n g，M IH a i q i n g，e ta 1 T h ew h o l em a c h i n em o d e l i n ga n dm o d ea n a l y s i so fs u p e r h i g hs p e e ds u r f a c eg r i n d e rb a s e do nF E M J J o u r n a lo fH u n a nU n i v e r s i t y：N a t u r a lS c i e n c e s，2 0 0 5，3 2(4)：3 9 4 2 4 杜平安，甘娥忠，于亚婷有限元法：原理、建模及应用 M 北京：国防工业出版社，2 0 0 4 D UP i n g a n，G A NE z h o n g，Y UY a t i n g F i n i t ee l e m e n tm e t h o d：t h e o r y，m o d e l i n ga n da p p l i c a t i o n 【B e i j i n g：N a t i o n a lD e f e n s eI n d u s t r yP r e s s，2 0 0 4 5 刘相新，孟宪颐，隋连武，等A N S Y s 基础与应用教程 M 北京：科学出版社，2 0 0 6 L I UX i a n g x i n，M E N GX i a n y i，S U IL i a n w u，e ta 1 A N S Y St u t o r i a l：b a s i c sa n di t sa p p l i c a t i o n M B e i j i n g：S c i e n c eP r e s s，2 0 0 6 6 陈新高精度内圆磨床结构动力学建模与优化设计研究 D 南京：东南大学机械工程学院，2 0 0 1 C H E NX i n T h ed y n a m i cm o d e l i n ga n do p t i m a ld e s i g no ft h eh i g hp r e c i s ei n t e r n a lg r i n d e r D N a n j i n g：S o u t h e a s tU n i v e r s i t y，S c h o o lo fM e c h a n i c a lE n g i n e e 卜i n g，2 0 0 1 7 沈润杰，何闻离心机动力学特性分析及设计技术 J 工程设计学报，2 0 0 6，1 3(3)：1 5 0 一1 6 1 S H E NR u n j i e，H EW e n A n a l y s i so nd y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c sa n dd e s i g no fc e n t r i f u g e J J o u r n a lo fE n g i n e e r i n gD e s i g n，2 0 0 6，1 3(3)：1 5 0 一1 6 1 万方数据高速轧辊磨床微进给机构动力学分析高速轧辊磨床微进给机构动力学分析作者：顾伟彬，姚振强，胡俊，GU Wei-bin，YAO Zhen-qiang，HU Jun作者单位：上海交通大学,机械与动力工程学院,上海,200030刊名：工程设计学报英文刊名：JOURNAL OF ENGINEERING DESIGN年，卷(期)：2007,14(6)被引用次数：1次 参考文献(7条)参考文献(7条)1.廖伯瑜;周新民;尹志宏 现代机械动力学及其工程应用:建模、分析、仿真、修改、控制、优化 20032.毛海军;孙庆鸿;陈南 基于子结构阻抗匹配与优化拟合的高精度磨床整机动力学建模研究期刊论文-中国机械工程 2002(05)3.沈润杰;何闻 离心机动力学特性分析及设计技术期刊论文-工程设计学报 2006(03)4.陈新 高精度内圆磨床结构动力学建模与优化设计研究学位论文 20015.刘相新;孟宪颐;隋连武 ANSYS基础与应用教程 20066.杜平安;甘娥忠;于亚婷 有限元法:原理、建模及应用 20047.黄红武;赵小青;宓海青 基于有限元的超高速平面磨床整机动力学建模及模态分析期刊论文-湖南大学学报(自然科学版)2005(04)引证文献(1条)引证文献(1条)1.李康妹.姚振强.胡俊.顾伟彬.黄海涛 超重型数控轧辊磨床测量装置动力学分析期刊论文-机械设计与研究2010(6)本文链接：http:/