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文檔簡介
1、<p><b> 中文3000字</b></p><p> 基于有限元的一種特殊鏜床機械的動力特性分析</p><p> Yu. V. Kirilin and N. V. Eremin</p><p> 鏜床支撐系統(tǒng)的動力特性分析是基于ANSYS軟件和文獻1、文獻2、文獻3中介紹的方法。如圖1型號是為KRS2791鏜床的支承系
2、統(tǒng)建立的計算模型。建立計算模型首先建立基本的組件——焊接和殼體。因此,殼體的有限元方法被應(yīng)用于相應(yīng)計算模型的建立。圖2中的模型與參考文獻[2,3]中的是相對應(yīng)的。</p><p> KRS2791型鏜床是專門為整體式滾車輪設(shè)計的,這些車輪相當(dāng)于450Kg的重量.因此,鏜床支承系統(tǒng)的計算莫型必須將滾輪考慮進去。如圖2所示。從以往操作的經(jīng)驗來看鏜床的軸對其動力特性影響最大,所以,在建立鏜床軸的計算模型時各個細(xì)節(jié)都要
3、考慮進去。</p><p> 由于震蕩的軸承可能會繞軸有一定的旋轉(zhuǎn)角,所以額外的圓角切刀也是有必要的。周單元和它的計算模型如圖3所示。模型中將以正交的有剛度的彈簧單元模擬所有的軸承和環(huán)向節(jié)。由于在ANSYS中的彈簧單元之定義一個方向的剛度和阻尼,而軸承和環(huán)向節(jié)至少有兩個方向的剛度和阻尼,所以在這里需要多組的彈簧單元。在ANSYS中通過設(shè)定彈簧的剛度和阻尼,相應(yīng)的軸承的剛度和阻尼也被精確的設(shè)定。彈簧單元的簡化如圖
4、3:只有計算模型的方向和號碼。</p><p> 前端的軸承是型號為97944L的雙排徑向推理輥子軸承,它在X、Y和Z方向都是剛性的。因此,每組前端軸承的彈簧單元就有三個彈簧,如圖4所示。假設(shè)軸承在環(huán)向的剛度是均勻的,所以,支撐系統(tǒng)的計算模型必須包幾組彈簧單元。根據(jù)以往此類系統(tǒng)的建模經(jīng)驗,最優(yōu)的彈簧單元的數(shù)目是4。這也促進了軸承系統(tǒng)建模的發(fā)展和原始數(shù)據(jù)的比較與積累。</p><p>
5、后端軸承的計算模型如圖4b所示。與前端軸承相比后端軸承是型號為318213K的雙排徑向輥子軸承,這類軸承在軸向沒有剛度。所以它的計算模型在X軸的方向上沒有彈簧單元的約束。其他方面前端軸承和后端軸承的計算模型都是一樣的。</p><p> 圖1 KRS2791型特種鏜床</p><p> 振動軸承中的倆個連接副的計算模型如圖4c所示。這些連接副應(yīng)用于前端軸承,他們的徑向剛度有型號為425
6、4108 的指針軸承來確定,它的軸向的剛度由環(huán)向軸承來確定?;鶞?zhǔn)軸的指針軸承相比于前端軸承是非常小的。</p><p> 所以,連接副可以視為點接觸的軸承,并且可以由三個振動的彈簧單元來模擬,因為這樣的話它在三個坐標(biāo)軸的方向上都有一定的剛度。因此真動軸承的連接副的計算模型由兩組彈簧來代替。如圖4c所示。</p><p> 如圖4d所示,為真動軸承的后端軸承。實際情況是,它是由一個合適的
7、軸承和一個隨著軸承旋轉(zhuǎn)的特殊的邊所組成。這個軸承可以在軸向游動,所以稱這個軸承為振動軸承。真動軸承的后端軸承只有在兩個方向上有支承的剛度,即延X軸的剛度的和延Z軸的垂直剛度。如圖3所示。 </p><p> 有紡錘體型的軸和切割道具可以得到錐形的連接節(jié)。因為圓形軸被沖壓進紡錘體的底座的洞里,所以帶有紡錘體的連接處既有徑向的剛度又有軸向的剛度。這就說明,所有的彈簧單元必須均勻的分布于連接處的周圍,彈簧單元的
8、數(shù)目是四。然而,連接副的軸向長度遠(yuǎn)大于其徑向的尺寸,所以單排的蛋黃單元不能充分的滿足實際的需求。所以這個環(huán)向的連接副的計算模型包含雙排的彈簧。</p><p> 圖2 KRS2791特種鏜床的各個部件的計算模型:(a )框架;(b)附件;(c)滑動片;(d)齒輪箱;(e)支承單元;(f)滾輪.(順序為從左到右,從上到下)</p><p> 圖3機床的軸承單元:(a)縮略圖;(b)計算
9、模型;X,Y,Z,坐標(biāo)系的軸;1,2,3,4,齒輪的計算模型,基準(zhǔn)軸,振動軸,和切割工具;彈簧單元的號碼已經(jīng)被圈出。</p><p> 圖4 (a)前端軸承的計算模型(b)后端軸承的計算模型(c)基座軸承以及連接副的計算模型(d)振動軸承:X,Y,Z,坐標(biāo)系的軸;彈簧單元的號碼已經(jīng)標(biāo)出。</p><p> 圖5 基座軸承的計算模型:(1)框架的底角;(2)基座;X,Y,Z,坐標(biāo)軸<
10、;/p><p> 圖6 KRS2791型鏜床的計算模型:Z,Y,Z,坐標(biāo)軸;力P作用于Y軸方向</p><p> 圖7 KRS2791型鏜床的支承系統(tǒng)的振動穩(wěn)定性:(1)原始的配置;(2)改進后的配置;n,轉(zhuǎn)軸的速度,t,臨界切削厚度。</p><p> 根據(jù)文獻[2,3]的理論研究, 基準(zhǔn)部件的移動副的計算模型可能會被箱體模型所替代。在所研究的鏜床機械中所有的部
11、件之間只有一個移動副和一個固定副,即框架結(jié)構(gòu)的滑動副和固定滾輪的接觸副。</p><p> 軸承在鏜床機械中起著至關(guān)重要的角色,因為它把鏜床的鉆</p><p> 子和基礎(chǔ)相連接。假設(shè)軸承與框架的接觸面積與整個軸承座的面積小到可以忽略的時候,這個地基軸承必須要用彈簧單元來模擬。地基軸承的計算模型如圖5所示。在ANSYS仿真軟件中軸承的剛度和阻尼是依靠設(shè)定彈簧單元的剛度和阻尼來實現(xiàn)的。&
12、lt;/p><p> 與眾多的鏜床相比,KRS2791型鏜床的軸承是特殊件而非標(biāo)準(zhǔn)件,如圖1所示??蚣艿那岸耸峭蛊鸬模渌考纪ㄟ^特殊焊焊接在幾座上,如圖1所示。導(dǎo)致的結(jié)果是,幾座相對于水平面有10到15度的傾角。鏜床的基礎(chǔ)底座是焊接成型的后板(厚度在16mm左右),這樣可以保證基礎(chǔ)底座有足夠的剛度。所以在建立鏜床的計算模型的時候把基礎(chǔ)底座看成是地基的延續(xù),忽略其對模型的影響。建模的時候,重力場對其的影響,傾斜角
13、對其的影響,都將被忽略。最后我們設(shè)定在建立模型的時候支承系統(tǒng)的計算模型要與XOY面平行。</p><p> 在建立好支承系統(tǒng)部件的模型(比如連接副和軸承)后,我們就將對鏜床的整個支承系統(tǒng)進行建模,這個模型在接下來的分析計算中都會用到。</p><p> 通過動力特性的分析可以知道這個支撐系統(tǒng)的最容易柔屈的方向是Y軸方向。支撐系統(tǒng)的動力特性包括兩個共振的頻率值 f1 = 139 Hz 和
14、f2 = 166 Hz。在相應(yīng)的頻率下的結(jié)構(gòu)的峰值振幅分別為A1 = 2.39 × 10 m/N 和A2 = 1.18 × 10 m/N。</p><p> 為了確定結(jié)構(gòu)的薄弱環(huán)節(jié),我們建立支承系統(tǒng)在139Hz和166Hz處的振型;得到支承系統(tǒng)最薄弱的環(huán)節(jié)是錐體單元。為了找到最合理的紡錘體的設(shè)計方法,有可能的話改變它的結(jié)構(gòu),然后依次再計算裝上此結(jié)構(gòu)的支承系統(tǒng)的動力特性,如圖3b所示。我們可以
15、找到柔性結(jié)構(gòu)的最大振幅和以及對支承系統(tǒng)影響最小的部件,了解系統(tǒng)的振幅-相角-頻率的關(guān)系,這是系統(tǒng)穩(wěn)定性的特點。</p><p> 比較對不同軸的動力特性的分析結(jié)果表中可以看出來,36號選項是最理想的。從這個選項中可以看得出來第一峰值的振幅也是最大的振幅減小了51.9%。這個設(shè)計中軸間距,軸頸、軸承的剛度都是不同的。</p><p> 從軸的原始設(shè)計和支承系統(tǒng)的振幅可以看出,軸單元貢獻了
16、65%,是支撐系統(tǒng)中所有部件貢獻最大的一個。這也進一步確定了在支撐系統(tǒng)中軸對KRS2791型鏜床的動力特性的影響是最大的。</p><p> 現(xiàn)在我們介紹在支撐系統(tǒng)中的最優(yōu)的軸的設(shè)計以及它的動力特性的計算。與原始結(jié)構(gòu)和設(shè)計相比改進后的支撐系統(tǒng),最大振幅見笑了51.2%,–Remax減小了55.8%,相應(yīng)的固有頻率增加到了f1 = 151 Hz 和 f2 = 194 Hz。</p><p>
17、; 以[4]的方法計算原始的和改進后的同心(刀片180度排布)的鏜床的臨界切削厚度。得到的結(jié)果如圖7所示。</p><p><b> 結(jié)論:</b></p><p> 我們已經(jīng)建立了鏜床支承系統(tǒng)的計算模型,并且利用該模型計算了KRS2791型鏜床的動力特性。發(fā)現(xiàn)鏜床支承系統(tǒng)最薄弱的部件是軸單元。通過引進最優(yōu)設(shè)計的軸大大的減小了鏜床振動的幅值,減小的程度可以達到5
18、0%以上;</p><p> 通過對KRS2791型鏜床的穩(wěn)定性計算可以知道,改進前的鏜床的臨界切削厚度是7.6mm,而改進后的鏜床的臨界切削厚度可以達到9mm,臨界切削厚度的增幅達到30%以上;</p><p> 通過對鏜床支承系統(tǒng)的動力特性的分析我們找到支承系統(tǒng)最薄弱的環(huán)節(jié)是軸,所以對軸的改進最能提升支撐系統(tǒng)以及鏜床的性能,對KRS2791型唐裝支承系統(tǒng)的軸的改進提出如下的建議:(
19、a)減小軸承座上的兩個軸承之間的距離,減小的距離大概在200mm左右;(b)增加基準(zhǔn)軸的直徑,建議前端軸承的外直徑為240mm,后端的軸承的外直徑為200mm,不需要改變軸承的類型;(c)增加轉(zhuǎn)軸的直徑,建議轉(zhuǎn)軸的前端和后端的部分直徑都為160mm;(d)增加指針軸承的直徑,建議指針軸承的直徑增加到80mm。</p><p><b> 參考文獻</b></p><p&g
20、t; [1] Kirilin, Yu.V.,Eremin, N.V.機床支撐系統(tǒng)的有限元分析[J].Stanki Instrum,2002,8:19-21.</p><p> [2] Kirilin, Yu.V., Dyshlovenko, P.E.,Eremin, N.V.對于切削機械中的移動節(jié)及固定節(jié)的仿真[J].Stanki Instrum,2003,9:22-28.</p><p&
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