磨头主轴系统的动力学分析及动态仿真研究概述--改

生共振，并从优化设计的理论出发，利用ANSYS有限元仿真软件，计算了阶梯轴在扭转和弯矩作用下轴肩段的应力及应变，并利用圆弧曲线、二至四次样条曲线、指数函数曲线和e指数函数曲线对轴肩的过渡曲线进行了优化，最后在流体仿真的基础理论上，利用ANSYS有限元软件Flotran CFD功能，对磨床主轴的动静压轴承压力油膜的流场进行了仿真分析，得到了主轴不同转速下轴承油膜的压力分布以及承载能力，结果表明较高转速时油膜的承载能力较大，工作时产生的压力不会使油膜破坏。钟国富应用有限元法对磨头系统支撑零部件进行了动力学建模分析和结构改进，在不改变部件外形尺寸的前提下可通过优化其内部结构的方法来提高部件的动态特性，研究了各部件结合面动态参数的理论计算方法，并利用MATLAB编制了相应的源程序，为后续研究整机动态特性提供了依据。李高峰建立了角接触球轴承的结构模型并进行力学特性的分析，推导出角接触球轴承静刚度的简易计算公式，分析了轴承预紧力对静刚度的影响，利用经验公式计算得到了本课题所用轴承的阻尼系数；利用ANSYS软件建立了电主轴的有限元分析模型，通过对模型的静态分析得到了电主轴的静刚度，并分析了轴承预紧力对电主轴静刚度的影响；建立了电主轴动态分析的三维有限元模型，充分考虑了影响电主轴动态特性的因素，利用ANSYS对电主轴进行了模态和谐响应分析，获得了电主轴的振型、固有频率和临界速度，分析了主轴轴承预紧力对电主轴固有频率的影响，通过分析电主轴前端、转子部分和末端的最大动态位移响应，研究了电主轴动刚度变化情况，掌握电主轴的动态特性，验证了电主轴动态设计的合理性，并建立磨头系统刚性连接的整机CAE模型，用力锤激振法对磨头系统的静动态特性进行了试验研究，验证了所建立的动力学模型的正确性，为提高磨头系统动态特性提供参考。吴南星，孙庆鸿介绍了机械系统动态仿真分析中的若干关键技术和相关技术以及仿真分析的基本步骤，为机械系统动态仿真分析提供了一定的理论基础，在理论上和实践上具有非常重要的意义。臧会玲，蒋书运，祝书龙，黄国庆用Pro/E对主要部件建立实体模型，并基于ANSYS分析软件建立整机CAE模型，利用Block Lanczos法提取模态，得到前四阶频率和振型，确定整机动态特性的薄弱环节是砂轮架，并对砂轮架筋板和侧壁厚度对砂轮架固有频率特性的灵敏度进行分析，对砂轮架进行改进。冯景华，吴南星，余冬玲在介绍机械系统动态仿真技术的基础上， 着重研究了ADAMS 的分析计算方法，从而极大限度地发挥ADAMS的仿真功能， 同时也为ADAMS 的二次开发提供了一定的理论基础，在理论和实践上具有重要的意义。朱敏在考虑各个结合面动力参数的基础上建立磨床整机的动力学模型，并求取床身上的动态力，针对不同的床身固定的方式，对其进行动态响应分析，并提出了一种计算磨床床身非线性低阶频率的方法，验证了该方法的可行性，将该方法应用于床身的结构优化中，同时建立了

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磨床床身和头架箱的动力学有限元模型，运用ABAQUS 软件对其进行模态分析，找出原零件设计中的缺陷，改进其结构。

2.4动静压轴承性能分析及承载能力计算的国内外研究现状

G.H.Jang,C.H.Seo,Ho Seong Lee提出建立一个转盘-轴承-主轴的有限元流体模型，用Arnoldi迭代法求非对称矩阵的特征值，进而得到模型的固有频率及阵型，利用试验验证模型的准确性。Janko D Jovanovic , Radoslav N Tomovic建立了一个非线性的转子-轴承系统的动态分析模型，该模型考虑了以下参数：内部径向间隙，外部径向负荷，负荷不平衡性，使用拉格朗日的衍生方程作为运动微分方程，指出滚珠与环之间的接触被认为满足Hertz理论，同时该模型可用来进行系统稳定性的分析。湖南大学章泽基于稳态层流的二维雷诺方程和流量连续性方程，应用有限差分法建立了轧辊磨床液体动静压轴承的计算模型，并进行计算，应用三维数值仿真软件FLUENT 进行了计算分析，通过数值仿真软件 FLUENT 和 ANSYS 联合仿真的方法对轴承的温度场和热变形情况进行了分析，为轴承的热弹流动力润滑分析提供了参考。东北大学王彬应用GAMBIT建模，并导入FLUENT进行仿真分析，得到模型的压力场和温度场，并得到油膜在不同转速时的承载能力变化趋势，应用CFD技术对液体动静压混合轴承进行三维数值模拟方法，弥补试验方法中理论依据的不足，为超高速液休动静压混合轴承的设计研制捉供了依椐。秦川指出由于某轧辊磨床动压轴承的油膜起点不在连心线处，在计算过程中，当设定的轴承偏位角不同时，油膜起点的角度则不相同，建立了动压轴承二维雷诺方程的数学模型，求得动压轴承的压力分布，获得动压轴承中间断面上的压力分布值，把它沿载荷方向与垂直载荷方向分解，通过 MATLAB 软件拟合该分布值的曲线方程，再运用准二维问题求解其承载能力，当垂直载荷方向上的分量接近零时，则设定的偏位角为轴承的实际偏位角，在该偏位角下求得沿载荷方向的承载分量即为轴承的承载量。 2.5磨床其他主要部件的动力学分析和仿真的研究现状

李东伟对高速随动磨床砂轮架进行了动静态特性的研究。李康妹，姚振强，胡俊，黄海涛对超重型数控轧辊磨床尾架-床身系统进行了静力学分析。冯渊，范圣耀基于ANSYS软件对无心外圆磨床砂轮架系统热变形进行了研究。李康妹，姚振强，胡俊，顾伟彬，黄海涛对超重型数控轧辊磨床测量装置进行了动力学分析。顾伟彬，姚振强，胡俊对高速轧辊磨床微进给机构进行了动力学分析。杨光，杜计划基于ANSYS软件对高速磨床砂轮架的结构进行了分析和改进。王华东，孟忠良对MK84160型轧辊磨床支顶中心架进行了静力分析。宣苓娟对新型内圆磨床砂轮架系统进行了动态研究与设计。朱敏对高精度外圆磨床主要零部件结构进行了动静态分析与改进。柳懿麟，彭碧，张尚，郑孟昆对高

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速凸轮轴磨床砂轮架箱体进行了有限元分析。孙文钊，王禹林，冯虎田对螺杆转子磨床砂轮架进行了动态特性分析与优化。

3主轴系统动力学分析及动态仿真研究的特点及研究情况分析

3.1磨头主轴系统动力学分析及动态仿真研究的特点

通过对轧辊磨床磨头主轴系统的实际工作环境进行分析，考虑各类影响其磨头主轴系统动静态性能的因素，对磨头主轴系统进行动力学理论分析，能从理论层面上得到磨头主轴系统的动静态性能参数，同时利用有限元分析软件和动力学仿真软件进行动静态仿真研究，与理论分析的结果进行对比，验证理论分析的正确性，并能准确地了解主要部件的动静态性能，避免磨头主轴系统在磨削时发生共振，为磨头主轴系统结构的优化及性能的提升提供理论参考。 3.2主轴系统动力学分析及动态仿真的研究情况分析

杨海在文献《M115W外圆磨床主轴的动力学仿真分析及其参数反求》中，以M115W外圆磨床主轴为研究对象，利用机械设计方法以及有限元仿真软件，对M115W磨床的主轴系统进行了动静态分析，求得主轴的固有频率与振型，表明主轴系统的工作频率远离预应力作用下的第一阶固有频率，工作时不会产生共振。同时，该论文在流体仿真的基础理论上，利用ANSYS有限元软件Flotran CFD功能，对磨床主轴的动静压轴承压力油膜的流场进行了仿真分析，得到了主轴不同转速下，轴承油膜的压力分布以及承载能力。在轴静止、转速1m/s和10m/s的情况下，轴承的承载能力分别为8267N、9206N和25014N，结果表明较高转速时油膜的承载能力较大。工作时产生的压力不会使油膜破坏，主轴系统的承载能力能够完全满足工作要求。

钟国富在文献《MKQ8312凸轮轴磨床磨头系统动态性能分析及结构优化研究》中，以MKQ8312凸轮轴磨床磨头系统为研究对象，首先应用有限元法对磨头系统支撑零部件进行了动力学建模分析和结构改进。研究结果表明，在不改变部件外形尺寸的前提下可通过优化其内部结构(主要是筋板结构和参数)的方法来提高部件的动态特性。其次该论文专门研究了各部件结合面动态参数的理论计算方法。应用面积分法计算了床身与垫板,垫板与底座,以及底座与磨头箱之间结合面的刚度和阻尼；根据赫兹接触理论建立了磨头滚珠丝杠副进给系统轴向刚度的计算模型，并利用MATLAB编制了相应的源程序，为后续研究整机动态特性提供了依据。然后该论文在分析部件特性及计算结合面参数特性基础上

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进行了整机动态特性研究。建立了磨头系统刚性连接的整机CAE模型，考虑各种常规结合面的整机CAE模型和考虑各种常规结合面及滚珠丝杠副进给系统轴向刚度的整机CAE模型。通过三种模型动力学仿真结果对比发现,相对于前两种模型,后一种模型更符合实际。最后本文采用力锤激振法对磨头系统的静动态特性进行了试验研究。通过实测信号的频谱分析得出了磨床的前几阶固有频率，并与仿真结果进行了对比。结果表明，理论计算值与实测值吻合较好，从而验证了所建立的动力学模型的正确性。在对比仿真和试验的基础上，确定了磨头系统振动模态的薄弱环节，磨床禁止加工频率以及提高磨头系统动态特性的改进措施，指出可适当提高进给系统轴向刚度来优化砂轮进给方向的抗振能力，以及改进与整机振动特性相似的组件(如床身)结构来优化整机动力学特性。该论文建立的考虑进给系统结合面的MKQ8312磨床磨头系统动力学模型与实际情况相符，其相应仿真和试验方法为装备制造业开展机床动态特性优化研究提供了思路，对设计和开发高性能精密磨床具有一定的借鉴意义。

李高峰在文献《电主轴在M7130磨床主轴系统中的应用及其动静态性能研究》中，以M7130磨床主轴系统为研究对象，应用有限元分析方法研究了电主轴和导轨的动静态特性，并充分考虑了影响动静态特性的因素，建立了角接触球轴承的结构模型并进行了力学特性的分析，推导出角接触球轴承静刚度的简易计算公式，分析了轴承预紧力对静刚度的影响，利用经验公式计算得到了所用轴承的阻尼系数；并利用ANSYS软件建立了电主轴的有限元分析模型，通过对模型的静态分析得到了电主轴的静刚度，并分析了轴承预紧力对电主轴静刚度的影响；建立了电主轴动态分析的三维有限元模型，充分考虑了影响电主轴动态特性的因素，利用ANSYS对电主轴进行了模态和谐响应分析，获得了电主轴的振型、固有频率和临界速度，为导轨的设计提供了一个动态参照数据；分析了主轴轴承预紧力对电主轴固有频率的影响；通过分析电主轴前端、转子部分和末端的最大动态位移响应，研究了电主轴动刚度变化情况；掌握电主轴的动态特性，有利于分析磨床改造后的动态特性以及对其进行改进。

通过对主轴系统进行动力学分析及动态仿真研究，可以更准确地了解主轴系统的主要动静态性能，避免磨削过程中产生共振，并能为磨头主轴系统结构的优化及性能的提升提供理论参考。

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