某型號電主軸性能測試實驗研究*

魏效玲，時玉冰，李 勇

（河北工程大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，河北邯鄲 056038）

某型號電主軸性能測試實驗研究*

魏效玲，時玉冰，李 勇

（河北工程大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，河北邯鄲 056038）

為了掌握某型號電主軸系統(tǒng)的性能及進(jìn)一步研究和改善電主軸系統(tǒng)，文章以該型號電主軸系統(tǒng)為研究對象，提出了新型快捷的測試方法，即分別采用錘擊法、電測法和多點測溫法對其進(jìn)行模態(tài)、振動和溫升測試，得到了電主軸系統(tǒng)的共振頻率和固有頻率、振動變化規(guī)律和溫度分布變化規(guī)律。通過得到的實驗數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)：電主軸在空載、低速工況下振動較大，在加速過程中頻率較低時變化較大，在高速段時徑向振動幅值隨著電機(jī)轉(zhuǎn)速的提高而增大；電主軸可以有效的避開共振區(qū)；隨著電主軸運(yùn)行速度的提升，機(jī)體外殼三個測量處的溫度也升高，但變化率下降；中部定子處機(jī)體溫升最高。

電主軸；性能；實驗研究

0 引言

電主軸系統(tǒng)是高速數(shù)控機(jī)床的核心功能部件，國內(nèi)外對其進(jìn)行了大量的實驗研究。2008年孟杰對高速電主軸作了動力學(xué)分析與實驗研究；2008年張珂等做了陶瓷軸承電主軸的模態(tài)分析及其動態(tài)性能的實驗研究；2011年王明威進(jìn)行了HMC80加工中心電主軸單元實驗平臺設(shè)計與試驗研究；2013年李超進(jìn)行了高速銑削電主軸動態(tài)熱態(tài)特性分析及實驗研究。

為了掌握某型號高速電主軸的性能，即模態(tài)分析、諧響應(yīng)分析和熱分析，及進(jìn)一步研究和改善電主軸系統(tǒng)。本文提出了新型快捷的測試方法，采用加速度傳感器、動態(tài)頻譜分析儀、渦流傳感器、信號采集器、計算機(jī)、紅外測溫儀等裝置進(jìn)行實驗數(shù)據(jù)的采集和再處理，利用錘擊法、電測法、多點測溫法分別對電主軸進(jìn)行模態(tài)測試、振動測試及溫升測試。

1 模態(tài)測試實驗

1.1 實驗原理

本文以某型號電主軸為實驗對象，此型號主軸最高轉(zhuǎn)速為22000r/min，額定功率為21kW。模態(tài)測試實驗使用的是錘擊法，用響應(yīng)力錘錘擊電主軸軸芯前端面，通過頻譜分析儀分析采集并處理速度振動響應(yīng)信號，實驗原理圖如圖1所示。

圖1 模態(tài)測試實驗原理圖

如圖1所示，電主軸前端安裝有加速度傳感器，振動加速度信號和主軸前端響應(yīng)力錘的力信號通過放大器放大后傳入動態(tài)頻譜分析儀，由A/D轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號后，再經(jīng)計算機(jī)讀取并進(jìn)行數(shù)字信號分析。將轉(zhuǎn)化后的數(shù)據(jù)導(dǎo)入ME′scopeVES軟件進(jìn)行模態(tài)參數(shù)識別，實驗采用單點激勵-多點響應(yīng)方法，最終得出電主軸的頻率響應(yīng)曲線圖和各階模態(tài)固有頻率。實驗操作如圖2所示。

圖2 實驗操作

1.2 實驗結(jié)果分析

本文取不同的錘擊力，實驗頻率設(shè)置范圍為0Hz至5000Hz，得到電主軸前端的徑向位移對頻率的響應(yīng)曲線圖如圖3所示。

圖3 響應(yīng)位移曲線

如圖3所示，在不同錘擊力下的兩條響應(yīng)曲線都在頻率2900Hz左右出現(xiàn)峰值，產(chǎn)生共振，電主軸的剛度明顯下降，通過ME′scopeVES軟件進(jìn)行模態(tài)參數(shù)識別，發(fā)現(xiàn)在4400Hz左右也出現(xiàn)了一個較高的峰值。實驗獲得的電主軸單元一階和二階模態(tài)固有頻率分別為3014Hz、4652Hz。

2 動態(tài)振動測試

電主軸高速運(yùn)轉(zhuǎn)時，其自身結(jié)構(gòu)特點和外載荷的變化會導(dǎo)致運(yùn)行狀態(tài)發(fā)生變化，極小的動不平衡就可能使離心力的作用改變電主軸的平衡狀態(tài)，進(jìn)而影響電主軸的運(yùn)行剛度和精度。因此，必須保證電主軸在極限頻率下運(yùn)行時，加工精度控制在允許范圍內(nèi)，本文對電主軸做動態(tài)振動測試，通過測試分析主軸在非切削狀態(tài)下的振動量，反應(yīng)振動量的物理量有位移、速度和加速度。電主軸振動的影響因素如圖4所示。

圖4 電主軸振動的影響因素

2.1 測試方法

對于高速旋轉(zhuǎn)機(jī)械的振動測試，可以分為以下幾種；機(jī)械式測量方法、電測方法、光學(xué)式測量方法。而電測法具有測量精度高、測量范圍大、對環(huán)境要求低等優(yōu)點，其主要是將動態(tài)機(jī)械振動量轉(zhuǎn)換為易于測量和處理的電信號參數(shù)。具體測量過程為；將待測振動量轉(zhuǎn)換成電信號，由傳感器傳輸?shù)侥M信號采集器，再由A/D轉(zhuǎn)換器在計算機(jī)上顯示放大信號，得到瞬態(tài)響應(yīng)曲線。

本文動態(tài)振動測試實驗研究的測試方法選用電測法，首先制造一個與此類型號電主軸匹配的標(biāo)準(zhǔn)工裝，為達(dá)到高精度的要求，工裝需要較高的同心度，然后定位電渦流傳感器與電主軸軸芯圓心在同一水平直線上，探頭中心線與軸心線正交，利用模擬信號采集器調(diào)整電渦流傳感器端面與軸芯表面的距離，保持距離在允許測量的范圍內(nèi)，即在10μm～50μm之間，調(diào)整好距離后將電渦流傳感器固定在工裝上，緩慢旋轉(zhuǎn)軸芯，同時觀察模擬信號采集器數(shù)值變化，輕輕擦拭旋轉(zhuǎn)軸芯表面，直到軸芯旋轉(zhuǎn)一周的讀數(shù)變化小于儀器的靈敏度為止。

電主軸的動態(tài)振動測試實驗原理如圖5所示，采用相對位移法，測試電主軸前端回轉(zhuǎn)面，通過電渦流傳感器和信號采集器采集并處理分析信號，經(jīng)A/D數(shù)據(jù)采集卡輸入計算機(jī)生成響應(yīng)頻譜圖。

圖5 動態(tài)振動實驗原理圖

2.2 測試結(jié)果分析

實驗中，在空載條件下，通過控制變頻器逐漸提高電主軸轉(zhuǎn)速，變頻器設(shè)置頻率分別為300Hz、500Hz、700Hz，每個轉(zhuǎn)速段待主軸運(yùn)行15min平穩(wěn)后，利用電渦流傳感器對主軸前端面的振動偏擺徑向位移量進(jìn)行測量，信號采集處理儀器采集數(shù)據(jù)，通過A/D數(shù)據(jù)采集卡進(jìn)行轉(zhuǎn)換處理，采樣頻率為1800Hz，輸入電壓為12V，每個轉(zhuǎn)速段截取100個點得到振動位移幅值曲線，如圖6、圖7、圖8所示。

圖6 10000r/m in的振動幅值曲線

圖7 16000r/m in的振動幅值曲線

圖8 22000r/m in的振動幅值曲線

表1 實驗獲得振動量數(shù)據(jù)

圖6、圖7、圖8分別為電軸在10000r/min、16000 r/min、22000r/min空載轉(zhuǎn)速下振動測試的幅值時域圖，實驗獲得主軸前端徑向振動量如表1所示。

實驗數(shù)據(jù)表明，電主軸在10000r/min時，即電主軸在空載、低速工況下振動較大，產(chǎn)生這一現(xiàn)象的主要原因是電主軸在低速時，角接觸陶瓷球軸承間隙大，因此剛度波動大，從而導(dǎo)致電主軸振動加大；在電主軸加速過程中，通過振動幅值曲線可以看出，頻率較低時變化反而較大，說明電主軸加速過程中的振動主要是電磁振動；電主軸在高速段時，電主軸徑向振動幅值隨著電機(jī)轉(zhuǎn)速的提高而增大，這是因為電主軸系統(tǒng)不可能完全平衡，隨電機(jī)轉(zhuǎn)速的提高，離心力會增大，導(dǎo)致電主軸徑向分量同時增加，因此電主軸在22000r/min時振動最強(qiáng)烈；從以上三種轉(zhuǎn)速下的振動幅值曲線可看出，隨著電主軸轉(zhuǎn)速的增加，振動位移變化量增加，但振動幅值變化不大，均保持在1.90μm附近，電主軸可以有效的避開共振區(qū)，較好的保證加工精度。

3 電主軸溫升實驗研究

電主軸高速運(yùn)行時，角接觸陶瓷球軸承內(nèi)部由于摩擦產(chǎn)生大量熱，導(dǎo)致軸承溫度升高，而較大的溫升會影響電主軸的工作精度，電主軸的溫升測量一般是用溫度計直接測量電主軸殼體外的溫度。本實驗以某型號高速電主軸為對象，測量不同轉(zhuǎn)速下機(jī)體的表面溫度，對采集的實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得到不同參數(shù)對電主軸溫升的影響，得出電主軸熱態(tài)性能的變化規(guī)律。在電主軸以不同轉(zhuǎn)速運(yùn)行狀態(tài)下進(jìn)行溫升實驗，對采集到的測試結(jié)果進(jìn)行分析，得到電主軸系統(tǒng)的溫度分布圖，掌握瞬態(tài)下電主軸系統(tǒng)關(guān)鍵部件的溫度變化規(guī)律。

3.1 實驗設(shè)備和測試方法

對高速電主軸機(jī)體外殼的溫升情況進(jìn)行詳細(xì)測量。本實驗選用高速電主軸的最高轉(zhuǎn)速為22000rpm。具體測量點分布在電主軸機(jī)體外殼前端軸承處、中部定轉(zhuǎn)子處、后端軸承處。將已裝配完畢的電主軸，按技術(shù)要求設(shè)計實驗條件，冷卻水流量為5.5L/min，冷卻水壓強(qiáng)大于3.5kgf/cm2，進(jìn)水口溫度為18℃，主軸氣封氣流量為85L/min。由于電主軸在高速運(yùn)轉(zhuǎn)時會有振動，因此需要保證測量點在電主軸機(jī)體外殼上的位置保持恒定，以免受外界因素干擾不能真實地測出殼體溫度。將測量探頭測量點分別分別放置在機(jī)體前端、中部、后端，通過溫度表測溫儀實時讀取溫升數(shù)據(jù)。溫度測量點分布如圖9所示。

圖9 溫度測量點分布

在出水口處綁定一個酒精溫度計，用來實時觀察冷卻水套出水溫度的變化。由于出水口溫度一般在35℃以下，相對于電主軸軸承和殼體的溫度而言，出水口溫度比較低，所以本實驗使用了最小刻度精度較高的溫度計進(jìn)行測量，保證數(shù)值的準(zhǔn)確度。實驗時，將周圍環(huán)境溫度設(shè)置為24℃，用變頻器調(diào)整主軸的轉(zhuǎn)速，在每個轉(zhuǎn)速段運(yùn)行15min后記錄溫度數(shù)值。

3.2 實驗數(shù)據(jù)處理

經(jīng)過溫度數(shù)據(jù)的測量和處理，得到的三個測量點溫度數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 測量溫度數(shù)據(jù)

根據(jù)表2中溫度數(shù)據(jù)繪制出機(jī)體前端軸承、中部定轉(zhuǎn)子、后端軸承溫升隨轉(zhuǎn)速變化曲線圖，如圖10所示。

由圖10可以看出，隨著電主軸運(yùn)行速度的提升，機(jī)體外殼三個測量處的溫度也升高，但變化率下降，這是因為隨著電主軸轉(zhuǎn)速增加，電機(jī)定轉(zhuǎn)子和軸承摩擦生熱加強(qiáng)，溫度升高，由于轉(zhuǎn)速增加，定轉(zhuǎn)子氣隙傳熱和轉(zhuǎn)子與空氣的對流換熱加強(qiáng)，所以溫度變化率下降。中部定子處機(jī)體溫升最高，前、后軸承處溫度相對較低，因為前、后軸承處不僅裝有機(jī)體冷卻裝置進(jìn)行冷卻，同時為加強(qiáng)軸承的散熱，還設(shè)置了軸承座螺旋冷水裝置，帶走了一部分軸承的產(chǎn)熱。

圖10 機(jī)體溫升隨轉(zhuǎn)速變化曲線圖

4 結(jié)論

實驗得到了電主軸系統(tǒng)的共振頻率和固有頻率，同時分析實驗數(shù)據(jù)表明；電主軸在空載、低速工況下振動較大；在加速過程中頻率較低時變化較大；在高速段時徑向振動幅值隨著電機(jī)轉(zhuǎn)速的提高而增大；隨著電主軸轉(zhuǎn)速的增加，振動位移變化量增加，但振動幅值變化不大，可以有效的避開共振區(qū)；隨著電主軸運(yùn)行速度的提升，機(jī)體外殼三個測量處的溫度也升高，但變化率下降；中部定子處機(jī)體溫升最高，前、后軸承處溫度相對較低。

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（編輯 李秀敏）

An Experimental Study to Research Performance of a Certain Type Motorized Spindle

WEI Xiao-ling，SHI Yu-bing，LIYong
（School of Electrical and Mechanical Engineering，Hebei University of Engineering，Handan Hebei056038，China）

；In order to grasp the performance of a certain type motorized spindle system and further research and improve the motorized spindle，this paper presents a new rapid testing to experimentally study the type of motorized spindle system，that is to say，through hammering method，electrical measuring method and multi-point temperature measurement method to gain the resonant frequency and inherent frequency，the change of vibration and temperature distribution.The experimental data show that under no-load，low speed working condition the electric spindle has high vibration；however，in the process of acceleration and low frequency，the change of vibration is not small；in the high speed period the radial vibration amplitude increases with the augment of motor speed；with the rotation speed fortify of motorized spindle，the vibration amplitude changes little，which can avoid the resonance effectively；as the motorized spindle speed of ascension，the three temperature measures of shell body also add，but the rate declines；the highest temperature part of the body is the stator.

；motorized spindle；performance；experimental study

TH166；TG659

A

1001-2265（2015）05-0088-03 DOI：10.13462/j.cnki.mmtamt.2015.05.024

2014-09-27；

2014-10-25

國家自然科學(xué)基金資助項目（61240050）；河北省自然科學(xué)基金資助項目（F2010001047）

魏效玲（1963—），女，山西河津人，河北工程大學(xué)教授，碩士，研究方向為機(jī)械制造及自動化，（E-mai）1047960064@qq.com；通訊作者；時玉冰（1989—），女，河北河間人，河北工程大學(xué)碩士研究生，研究方向為機(jī)械制造及自動化，（E-mail）shiyubing327@sina.com。