主轴装置

主轴装置（精选七篇）

主轴装置 篇1

对于机床主轴而言, 除了要求其高精度、高刚度之外, 大多数机床主轴还要求高速度、宽速度范围和低速状态下输出大扭矩。传统机床的主轴结构是经过多级齿轮变换, 实现了较宽的速度范围和低速大扭矩输出, 由于齿轮线速度受到限制, 长期以来, 主轴高速度这一难题一直未能得以解决。目前, 随着宽范围调速马达和电主轴的相继出现, 使无齿轮机床和数控机床得到了迅速发展, 机床主轴的宽速度范围和高速度已经不是难题。但是, 由于调速马达存有低速状态下恒扭输出这一弱点, 如果没有齿轮变速机构, 仅靠变速马达的宽调速范围, 也不能实现机床主轴低速大扭矩的要求, 如果利用机床主轴传统的齿轮机构, 即使采用宽范围调速马达, 也无法实现机床主轴的高速度, 本文介绍的行星轮变速装置, 较好地解决了这一问题。

2 结构简介

如图1、2所示, 行星架3、齿轮套4、太阳轮5、行星轮11和轴12构成行星轮系统。太阳轮5置于中心位置, 太阳轮5通过联轴器6与输入轴7相连接;至少有两个行星轮11均匀分布在太阳轮5的周围, 行星轮11通过轴12安装在行星架3上, 行星轮11与太阳轮5啮合, 行星轮11同时也与齿轮套4啮合, 行星轮11可以自转、也可以绕行星架3的轴线公转;行星架3与机床主轴1相连接, 行星架3的一端设有端齿;上盖8固装在箱体2上, 上盖8上设有与太阳轮5同轴的端齿;齿轮套4的上部套装在导套9上, 齿轮套4的下部套装在行星轮11的外面, 齿轮套4与太阳轮5同轴, 齿轮套4设有内齿, 其内齿与行星轮11啮合, 齿轮套4一端的内、外侧还分别设有端齿, 其中内侧端齿与行星架3的端齿构成端齿离合器、外侧端齿与上盖8的端齿也构成端齿离合器, 齿轮套4既可以转动, 又可以沿轴向移动。

1.主轴2.箱体3.行星架4.齿轮套5.太阳轮6.联轴器7.输入轴8.上盖9.导套10.弹簧11.行星轮12.轴13.滚轮

3 工作原理

如图1所示, 在外力作用下, 滚轮13上行, 齿轮套4上移, 弹簧10受力压缩, 齿轮套4上移, 其外侧端齿与上盖8的端齿相啮合、同时内侧端齿与行星架3的端齿脱开, 此时, 太阳轮5、行星轮11、行星架3和齿轮套4就构成了行星轮系, 动力通过输入轴7、联轴器6传至太阳轮5, 太阳轮5再通过行星轮11和行星架3把动力传到机床主轴, 整个过程为降速过程, 也是增扭过程, 扭矩增加满足了机床主轴低速大扭矩的要求。

1.主轴2.箱体3.行星架4.齿轮套5.太阳轮6.联轴器7.输入轴8.上盖9.导套10.弹簧11.行星轮12.轴13.滚轮

如图2所示, 撤销外力作用, 滚轮13下行, 弹簧10伸张, 齿轮套4下移, 其外侧端齿与上盖8的端齿脱开、同时内侧端齿与行星架3的端齿相啮合, 此时, 太阳轮5、行星轮11、行星架3和齿轮套4相对固定, 各齿轮间的啮合没有相对运动, 齿轮无噪声, 当动力从输入轴7输入时, 整个轮系和机床主轴将同步转动, 经过行星轮变速装置的速比为1∶1, 把变速马达的高速度直接传到了机床主轴, 从而满足了机床主轴高速运转的要求。

4 问题分析

4.1 优点

(1) 结构简洁、布局紧凑; (2) 变速方便、无需拨叉; (3) 既能够大幅度降速, 又能够高速度运行; (4) 噪声低; (5) 应用范围广, 即可作为铣镗类机床的主轴, 也可设计为车床主轴。

4.2 缺点

用于铣镗类数控机床主轴时, 退刀导杆过长。

4.3 注意事项

(1) 行星轮系中的齿轮为斜齿圆柱齿轮; (2) 离合器各端齿必须同轴; (3) 各组件组装后应作动平衡处理; (4) 轮系在低速状态应该润滑, 最好采用稀油润滑。

参考文献

[1]成大先.机械设计手册[M].北京:化学工业出版社, 2002.

[2]机床设计手册编写组.机床设计手册[M].北京:机械工业出版社, 1979.

[3]邓怀德.金属切削机床[M].北京:机械工业出版社, 1987.

[4]戴曙.金属切削机床设计[M].北京:机械工业出版社, 1981.

主轴装置 篇2

作者： 发布时间：2009-10-28 17:45:46 阅读次数：

电子工业的飞速发展，使各种集成度高、性能先进的调速驱动层出不穷，给数控机床的更新换代提供了有利条件，但对于目前大中型企业还无法将旧数控机床全部改造的现实，修理旧的驱动系统，仍是维修战线上的一项艰巨任务。以下是工程师在实践经验中，所遇到的部分故障现象以及处理方法，仅供客户参考。

故障一

故障现象：1.8m数控卧车在停车时发出巨大响声，同时车间总电源跳闸。

检查：(1)车间电工对供电系统进行检查，跳闸的自动空气断路器所在处，因环境潮湿开关盒内自动跳闸的连杆机构已腐蚀，另外三相触点中有一相触点只有一小部分能接触。(2)车间供电变压器容量小，超负荷运行。其正常的相电压只有340V。(3)一只晶闸管已被烧坏，查看驱动电路，B相触发脉冲短小，只有正常触发脉冲幅值的四分之一，进一步查实为B相触发电路中的放大管T3性能不好所致。

分析：晶闸管在整流状态下缺相和在逆变状态下缺相结果是不同的。在整流状态下总是触发电位较高的晶闸管如SCR1，同时使前一相晶闸管SCR3承受反相电压而关断。在SCR3的关断期间以反相阻断状态为主。即使后一个晶闸管不触发，而SCR3到一定时刻也会因过零而自动关断。但如果是在停车降速时，即在逆变的情况下(同样也是触发电位较高的晶闸管导通，并使前一个晶闸管承受反压而关断)，这时的晶闸管在关断时有很长一段时间处于正向阻断状态。这样，若后一个晶闸管不导通，由于电感L的放电作用，使该晶闸管再延续导通一个周期而进入正半周，晶闸管将继续导通下去，同时阻碍后面的晶闸管导通。于是，晶闸管输出的正向电压与电动机电势迭加产生很大的电流，这时即产生逆变颠覆，轻则烧坏保险丝，重则烧坏晶闸管。如果车间的电压供电系统正常，没有大的波动，也许不会烧坏晶闸管。交流电网电压波动大，车间变压器容量小，超负荷运行，再加之B相正组触发脉冲幅值小，及车间供电系统的总开关盒的损坏等综合原因造成了这次故障的发生。

处理：(1)更换自动空气断路器。(2)更换新的晶闸管。

故障二

故障现象：1.8m卧车在点动时，花盘来回摆动。检查：测量驱动控制系统中的±20V直流稳压电源的纹波为4V峰峰值，大大超过了规定的范围。

分析：在控制系统的放大电路中，高、低通滤波器可以滤掉，如：测速机反馈，电流反馈，电压反馈中的各次谐波干扰信号，但无法滤除系统本身直流电源电路中的谐波分量，因它存在于整个系统中，这些谐波进入放大器就会使放大器阻塞，使系统产生各种不正常的现象。在点动状态下，因电机的转速较低，这些谐波已超过了点动时的电压值，造成了系统的振荡，使主轴花盘来回摆动，而且一旦去除谐波信号，故障马上消失。

处理：将电压板中的100MF和1000MF滤波电容换下焊上新电容，并测量纹波只有几个毫伏后将电源板安装好，开机试运行，故障消除。

故障三

故障现象：5m立车在运行加工中发出哐哐声后，烧保险。

检查：发现5FC5FG、5RG5RQ正反组全无脉冲输出(线路见图2)，测量结果，IC7反相器损坏，又发现1FG1FC输出波形较其他波形幅值低得多。

一种铣镗床主轴锥孔转换装置 篇3

镗铣床主轴锥孔用来安装锥柄型刀具, 常用的镗铣床主轴锥孔为ISO60型锥孔, 因ISO60型主轴锥孔的铣镗床主轴扭矩大、刚性好、工作效率高。但当被加工零件尺寸较小时, 用到的往往是ISO50锥柄的刀具, 而由于受到刀柄尺寸地限制, ISO60型主轴锥孔无法装卡ISO5锥柄刀具, 这就需要解决既利用ISO60型主轴扭矩大、刚性好的优点, 又能加工小尺寸零件的具体问题。通常是使用一种转换装置, 将ISO60型主轴锥孔转换为ISO50主轴锥孔。而传统的锥孔转换装置, 是通过配用主轴锥套转换装置, 将ISO50刀具的刀柄与主轴锥套固定成一体, 更换ISO50锥柄的不同刀具时, 就必须卸下主轴锥套转换装置, 刀具必须和转换装置同时安装。由于转换装置较重, 拆装费时费力, 劳动强度大、工作效率低。

2 转换装置结构及工作原理

如图1, 镗铣床主轴锥孔转换装置包括锥套14, 锥套14尾端内孔螺纹固定支撑套4, 支撑套4孔内置有连接套5, 连接套5内孔与穿过支撑套4中心孔的主轴拉钉3外径螺纹固定, 主轴拉钉3的内孔螺纹固定推杆7的右端, 而推杆7为阶梯轴型, 中间部位及左端分别有轴肩, 在两轴肩中间的直径上卡装卡爪9的根部, 卡爪9的卡爪夹持拉钉10的钉帽, 拉钉10的钉杆螺纹连接刀具锥柄13的内孔;轴肩的右侧布置有垫片6并与主轴拉钉3的左端面相触;支撑套4的内阶梯孔与连接套5的外径间布置有弹簧8;锥套14由螺栓12通过衬套11固定在主轴上, 并且锥套14及支撑套4的外锥面与主轴内锥孔吻合;连接套5内孔与卡爪9根部外径间布置有密封圈。

1.刀杆2.主轴卡爪3.主轴拉钉4.支撑套5.连接套6.垫片7.推杆8.弹簧9.卡爪10.拉钉11.衬套12.紧固螺栓13.锥柄14.锥套

当需要更换ISO50型锥柄的刀具时, 将该镗铣床主轴锥孔转换装置推进ISO60型铣镗床主轴锥孔内, 当锥套大端移动至主轴锥孔大端时, 因两直径相等, 锥套轴向不再运动, 为使该装置和主轴同步运动而不产生相对旋转, 用螺钉12将锥套14固定在主轴上。为防止锥孔变形, 螺栓12通过衬套11将锥套14固定在主轴上, 衬套11比螺钉孔台肩面高出0.1～0.2mm, 比锥套右台肩面高出2～3mm, 使螺栓12和螺钉孔台肩面间保持0.1～0.2mm间隙, 锥套右台肩面和主轴端面间保持2～3mm间隙。当按下操作面板上的松刀按钮时, 主轴上松刀油缸中的推杆推动刀杆1, 刀杆1同时推动主轴夹爪2, 主轴夹爪2移动7.5mm时张开, 处于待刀状态, 主轴拉钉3、连接套5、垫片6及推杆7是连接在一起的, 这样在弹簧8的推动下就使它们同时移动8mm, 此时推杆7推动卡爪9, 当推杆7移动7.5mm时, 卡爪9同时移动7.5mm, 此时卡爪9张开, 处于待刀状态, 推杆7也和拉钉10接触, 这时推杆7继续移动0.5mm, 轻推一下拉钉10, 因拉钉10是和刀具锥柄13螺纹连接成一体的, 这样刀具锥柄13从主轴锥孔脱出, 可实现松刀。连接套5和主轴拉钉3是紧固在一起的, 它的运动和主轴拉钉3是同步的, 在空刀左端面抵在锥套内孔的松刀定位端面上, 防止卡爪9和主轴拉钉3脱出。需要更换ISO50锥柄的不同刀具时, 操作者只需把拉钉10预先拧紧在刀具锥柄13上, 处于待刀状态时, 可把ISO50型刀具锥柄连同拉钉10推入, 然后按下操作面板上的装刀按钮, 就可轻松地将刀具安装在锥套14的锥孔中, 实现了利用ISO60型铣镗床主轴锥孔安装ISO50型锥柄的刀具, 不需卸掉转换套装置。

3 结语

主轴装置 篇4

宝山钢铁股份有限公司宝钢分公司厚板厂的5 m宽厚板轧机主轴利用液压安全联轴器进行保护。该套装置的脱开侧与非脱开侧之间的间隙借助液压胀紧,通过摩擦力实现两侧的同步运转,如图1所示。一旦轧机主轴承受负荷超过设定极限,脱开侧与非脱开侧之间便会发生相对运动,液压管路即被切断,两侧之间产生间隙,使得主轴传动侧与轧辊侧脱开,从而实现对主轴的过载保护,避免主轴或十字叉头设备的损毁。

1 存在问题及分析

过去,由于系统无法检测到安全联轴器是否脱开,也就无法在其脱开后立即切断动力源达到停机的目的。这样,一旦轧机过载,轧机上、下辊安全联轴器中脱开的一方或两方将在无动力驱动的状态下依靠惯性运转,直至停止。当上、下辊均脱开时,显然其中的钢板不会对轧机设备造成损害。而当上、下辊中只脱开一方时,脱开的一方由于失去了动力源,势必将在上、下辊间钢板的带动和各种摩擦力的综合作用下自由运转,但其自由运转的速度小于未脱开的一方,这种现象必然会造成以下影响。

(1)下轧辊间产生较大的速度差。众所周知,在轧钢过程中,通过人为调整使上、下轧辊间形成速度差,是抑制钢板出现翘、扣头的重要手段。而相反,若对于板形良好的钢板,上、下轧辊间的速度差却可令钢板产生出翘、扣头。对于厚板轧机,钢板的翘、扣头会对设备造成巨大的威胁,曾发生过的轧机导卫板脱落、变形的重大事故就是由于钢板上翘的头部撞击导卫板造成的。而钢板扣头则会对轧机的机架辊造成严重伤害,甚至,下扣严重的钢板还有可能钻入机架辊辊道下方,导致严重的堆钢事故。

(2)未脱开一方负载突增造成机械机构的疲劳损伤。钢板在轧制期间,若上、下辊其中一方脱开,此时轧制力已建立,未脱开一方势必将通过钢板带动已脱开的一方继续运转。这就相当于原本两根轧辊的工作量现在全部累加到一根上面,直到传动电机由于转矩过载跳电才会停止运转。虽然这样的过载是在设备保护的范围内,但是由于机械结构的制约,轧辊处突增的负载量要经过近10 m长的主轴才能传递到传动电机。转矩传递需要一定时间,这样当传动电机过载跳电时,轧辊一侧的转矩有可能远大于电机过载的转矩设定,即超出了正常范围。久而久之,极有可能在主轴最为薄弱的十字叉头上造成疲劳损伤,并且是靠近轧辊一侧的叉头上,厚板厂最近发生的几次叉头损坏事故均是发生在靠近轧辊一侧。

(3)钢板打滑造成辊面损伤。由于系统不具有检测安全联轴器是否脱开并实现主动停机的功能,因此上、下辊中脱开的一方将在未脱开一方的带动下继续运转。这种运转的动力来源于轧辊的惯性和与钢板间的摩擦力。但是当这两种力的总和不足以完全带动脱开的一方轧辊时,其辊面将与钢板表面发生相对运动,即产生了打滑现象。由于此时轧机轧制力为建立状态,这种打滑会造成轧辊辊面的异常划伤,导致磨削量增加,直接影响企业效益。

鉴于以上三点对企业利益产生的重大影响,如果能够在上、下辊任何一方的安全联轴器脱开后迅速切断传动动力源,令轧机停机,则有可能完全避免以上问题的发生,减少企业效益的损失。

为了能够在尽量短的时间内停机,就需要一种检测装置用于轧机安全联轴器脱开的检测。该检测装置需要兼顾以下三方面的要求和目的。

(1)检测迅速。过去由于没有检测装置,当安全联轴器脱开后,只能依靠操作人员凭借脱开时机械设备发出的巨大声响人为地停机,或是未脱开一方由于过负载保护功能启动而停机。显然后者可能已经对设备造成了损伤,而前者凭借人为反应所造成的延迟则至少在几秒钟以上。为了将损失降到最小,需要一种快速的检测装置。

(2)性能稳定。检测装置应考虑到现场环境对于检测质量的影响,并应设计有一定的容错能力,避免对轧制生产造成异常中断。

(3)维护简便。为了使检测装置能够长期稳定地运行,必然需要一定的维护工作。但考虑到厚板轧机一至两个星期的定修间隔,因此需要检测装置至少能够无故障稳定运行20 d以上,且在最大程度上不影响相关部位检修工作的开展。

2 改进措施

基于以上目标,运用光反射原理,厚板厂开发出一种轧机安全联轴器脱开快速检测装置并已申请了专利保护[1]。该装置包括硬件设备和软件处理程序两部分。

2.1 设备硬件

设备硬件由两套光栅及其对应的一定数量反光板构成,轧机上、下主轴各一套光栅和若干块反光板。反光板数量需根据实际安装位置限制和光栅反应速度而定,厚板厂为避免对联轴器上螺丝孔的覆盖,采用了两套光栅及14块反光板,在轧机上、下主轴各安装一套光栅和7块反光板。光栅采用红外光柱型,确保一定的覆盖范围和稳定接收,硬件扫描周期在10 ms以内。两台光栅分别对准轧机上、下主轴径向中心线,如图2所示。

正常轧制中,两套光栅发出的红外光柱分别被匀距安装于安全联轴器外圆周表面上的反光板反射,最终回到其接收器。如果光栅发射和接收均正常的话,安全联轴器每转过一周,应该收到7个脉冲信号,且随着轧机速度的提升,脉冲信号的宽度将减小,如图3所示。在本套检测装置中,这些脉冲信号用于安全联轴器两侧是否存在速度差,即是否脱开的判别。

2.2 设备软件

本设备的运行平台借用原轧机控制系统的Simatic PCS7软件平台,程序运行周期最小为10 ms。软件设计思路是通过对安全联轴器传动侧和轧辊侧之间速度差异的比较,来进行安全联轴器脱开的判别。系统软件流程如图4所示。

开始运行后,系统首先设立一个用于计时的累加单元,其值为T。轧机运转期间,在检测装置未收到光栅产生的信号之前,T以程序的处理周期为步长递增。由于各个系统的程序处理周期不尽相同,此处仅以10 ms为例。一旦检测装置收到光栅信号便会立即将T置0,从而进入下一个周期的循环。图中的πD/Vact为传动电机运转一周(360°)所需要的时间,πD/Vact×2/7为其运转2/7圆周所需要的时间。一般在这段时间内,光栅应该可以接连检测到两块反光板并发出信号。反之,如果检测到的数量只有一片或者没有,就说明此时轧机主轴安全联轴器已为脱开状态。这样系统将触发快速停机信号,强制未脱开一侧以及钢板迅速停止运动,并在HMI上产生报警信息。

由于轧机在低速(不大于0.5 m/s时)运行期间,一般均不在轧钢阶段,安全联轴器不会脱开,因此将这些低速运行时段排除在报警范围之外将大大增加该检测装置的稳定性和准确率。另外,之所以选择2/7这个乘数,是考虑到系统的容错功能,即在7块反光板之中有1块表面有污损或丢失的情况下,系统仍然可以正常运行,从而避免由于环境因素的影响而导致的误停机。

在实际应用中,轧机上主轴或下主轴安全联轴器脱开均可触发快停信号,轧机主传动随即将以最大加速度减速至0 m/s,同时液压压下系统卸压,辊缝打开,以保护工作辊辊面不被烫伤。在操作人员按下故障确认键之前,轧线各相关设备始终处于强制停机状态。

3 实施效果

轧机主轴安全联轴器脱开检测装置自从2006年4月开始在宝钢分公司厚板厂5 m宽厚板轧机上安装、使用以来,运行稳定,动作准确。经测试最快可在安全联轴器脱开后141 ms内触发停机信号,并自动打开轧机辊缝,有效保护轧机主轴及工作辊等设备。

参考文献

主轴装置 篇5

随着传动机械的迅速发展, 现代工业对齿轮精度的要求也越来越高, 轮齿的齿形精度主要取决于成形砂轮的形状精度, 砂轮修整装置各部件具有良好的动、静态性能是保证砂轮修形精度的基础。考虑到金刚轮主轴是整个装置的核心部分, 其动态特性将对砂轮的修整精度、被加工齿轮的表面品质和生产效率产生很大的影响。因此有必要对其进行详细的动力学分析。

图1是某一成形磨齿机床上已设计好的砂轮修整装置结构示意图, 通过模态分析可以判断出其传动部件金刚轮主轴的转速是否合理, 装置有无薄弱环节, 根据分析出来的各种数据可以对修整装置部件进行优化设计, 同时也为进一步选择不同转速的电机提供了依据, 满足装置对砂轮修整品质和精度的要求, 因此对此修整装置的主轴进行模态分析是很有意义的。

1 主轴的有限元模型

为了不使数据意外丢失及有更好的收敛性, 采用在ANSYS里直接建模的方法[1]。在ANSYS里先建立一个截面, 选用PLANE42划分网格, 然后沿一根轴线来旋转生成SOLID45模型和网格。

1.1 定义单元类型和属性

定义3种单元类型:1) 平面类型Plane42;2) 实体单元类型Solid 45:3) 选用Combin14弹簧单元对轴承刚度定义。Solid45单元用于仿真三维实体结构, 由于有限元模型中的任一单元都具有特定的属性和单元类型。对于单元属性的指定必须在网格划分前进行。首先要确定好材料的属性, 在结构有限元分析中, 必须输入材料的杨氏模量。本研究的主轴7选用Solid45单元, 密度为7800kg/m3, 弹性模量为2.1e11Pa, 泊松比为0.3[2]。

1.2 划分网格并生成实体

网格划分有两种, 自由网格划分和映射网格划分, 自由划分的方式适合于不规则多边形, 而映射划分网格适合于四边形的面, 为了使计算结果更准确, 结合装置主轴的截面形状采用了映射网格划分的方式, 由于映射划分网格的前提是平面形状必须是四边形, 所以在划分网格之前必须把轴的多边形的截面分割成几个小四边形, 然后再对各小四边形的边进行细分, 最后用映射的方式划分[3], 划分结果如图2所示。

划分后的网格面绕轴线旋转成网格实体, 生成后的实体如图3所示。

2 约束条件

分析对象只含有旋转件和支承件, 即主轴7和前后轴承2。主轴在工作时承受多种载荷, 主轴前端的金刚轮6受切削力和弯矩作用, 在金刚轮6旋转时还受转矩的作用, 主轴在前后轴承2的支承下旋转。为了计算方便, 将其视为空间弹性梁, 认为轴承只具有径向刚度, 不具有角刚度。因此将支承1进一步简化为径向的压缩弹簧, 即梁的径向采用弹性边界元模拟轴承支承。每个轴承弹性支承均由四个均布的弹簧组成[4], 图4是弹簧的分布示意图, 每个弹簧用一个弹簧-阻尼单元Combine14模拟。根据主轴的工作情况, 主轴上前后轴承2处与弹簧相连接的4个节点, 即图4的T1, T2, T3, T4这4个节点, 加上轴向约束, 防止主轴因温度升高而变形, 实现轴向移动, 弹簧另一端的4个节点, 即图4的T5, T6, T7, T8这4个节点, 在前轴承和后轴承2处均完全约束。忽略轴承负荷及转速对轴承刚度的影响, 轴承刚度为一个不变的常数kr, 由下式计算[5]:

undefined

式中:z—轴承滚子个数;

undefined。

其中:A=轴承的外径-轴承内经;

α—接触角, 取15°;

Fa0—轴承预紧力。

Fa0的值按公式Fa0≥1.7×Fr2×tanα计算, 其中Fr2是轴承所受的径向力, 是根据金刚轮在修整砂轮时所产生的径向磨削力, 然后根据径向磨削力公式:undefined再通过力的合成而得出的[6]。通过常数设定可得

Fr2=384.5N

由以上两式可以算出两个刚度值, 即把两对轴承的简化为弹簧, 在ANSYS里要进行弹簧实常数设定, 其中刚度即为kr的值。

3 计算结果与分析

3.1 模态的计算结果

在模态分析中用Subspace即子空间迭代法, 通过此分析可以了解结构的振动情况[7], 结构的振动可以表达为各阶固有振型的线性组合, 其中低阶振型较高阶对结构的振动影响大, 低阶振型对结构的动态特性起决定作用, 提取主轴约束模态下的前6阶固有频率如表1所示, 第3, 5阶振型如图5, 6所示。

3.2 临界转速分析

一般情况下, 当主轴以临界转速旋转时, 主轴将产生剧烈的振动, 导致轴的寿命下降甚至造成轴的报废。而在临界转速一定范围之外工作时, 主轴将趋于平稳运动[8]。对于任何主轴来说, 都有无穷多阶临界转速, 但工程上具有实际意义的是前几阶临界转速, 如表1所示。

通过上述分析结果可以看出, 第一阶频率为零, 为刚体振动, 可以不考虑, 第四阶和第五阶的频率值相似并且振型表现为正交, 可将视为重根。根据转速和频率的关系计算得轴的第二阶临界转速:n=184.06×60=11043.6 r/min, 轴的工作转速是3000r/min, 远远低于临界转速, 故该轴的工作转速是安全的, 不会发生共振。

4 结论

用弹簧单元模拟轴承, 通过对轴进行结构分析、简化模型、利用有限元分析软件建立轴的三维模型, 为轴的各种力学性能分析奠定了基础。并对该轴进行模态分析, 获得前六阶固有频率和振型, 从而得出其临界转速, 为下一步动力学分析提供可靠的依据。

参考文献

[1]刘涛, 杨凤鹏.精通Ansys[M].北京:清华大学出版社.2002.

[2]刘国庆, 杨庆东.ANSYS工程应用教程:机械篇[M].北京:中国铁道出社, 2003.

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[5]张伯霖.高速切削技术及应用[M].1版.北京:机械工程出版社, 2002, 9.

[6]华南工学院甘肃工业大学主编.金属切削原理及刀具设计[M].上海:上海科学技术出版社, 1983.

[7]ANSYS高级技术分析指南.ANSYS中国, 2000, 1.

主轴装置 篇6

众所周知, 在大型 (铣镗, 龙门等等) 金切机床的组成部件中, 主轴部件是最重要关键的一环, 在机加过程中, 它的精度直接影响零件的加工精度。影响主轴部件精度的因素有很多, 例如主轴的单件精度、主轴的装配精度、主轴的温升等。其中大部分影响因素都可以通过提高材料的机械性能、提高零件的加工精度、提高装配水平等手段进行解决, 但是主轴的温升却是影响主轴精度的一个主要因素, 在影响主轴温升的因素中, 有轴承因素 (单件精度, 装配精度) 等, 这里都不一一讨论, 仅就润滑方式进行论述。

2 大型主轴润滑方式确定

通常情况下, 主轴系统润滑有以下几种方式:

(1) 油脂润滑。这是一种最简单的润滑方式, 比较适合较低转速的主轴选用, 一次性加注油脂后可用很长时间, 成本低廉。在油脂用完或者是按固定的时间重新加注相同的油脂即可。此种润滑的缺点是油脂量无法调整, 油脂被污染后更换困难, 发热大, 散热能力差, 不利于高速运行。

(2) 稀油润滑。此种方法在主轴系统中是比较常用的润滑方式, 其特点是油可以重复使用, 润滑油量可以调节。缺点是润滑油量很难精确控制, 油量给多时, 主轴轴承将油带起旋转, 产生搅油发热, 从而降低主轴转速, 抑制主轴转速的提高。油量给小时, 润滑不充分, 产生的热量无法带出, 影响转速的提高。

(3) 油雾润滑。此种润滑方式是利用气体将润滑油雾化后, 送到轴承处, 对主轴轴承进行润滑, 特点是主轴转速较高, 发热量较小;缺点是润滑油是由油雾器提供, 油量较小, 非常适合小型高速加工中心, 不适合大型机床的润滑, 并且润滑油不能全部回收, 润滑油量不可调节, 也不能进行二次利用, 同时油雾对环境的污染也比较大。

通过对比可知, 如果机床主轴直径较大、转速较高时, 以上几种润滑方式均不非常适合。针对以上几种主轴润滑方式的优缺点的比较, 在数控落地铣镗床的精细化设计中设计了一种适合高速、大直径主轴的高效润滑装置—油气润滑装置。通过该装置即可使主轴系统达到理想的润滑状态, 又不污染环境, 同时还能大幅降低主轴温升, 从而有效地提高机床的加工精度。

3 原理及结构介绍

从图1可以看出, 这种新型的油气润滑装置共由3部分组成。

1.工厂气源2.空气干燥器3.气动三联件4.换向阀5, 9.压力继电器6.油气混合体7, 8.减压阀10.压力表11, 16.过滤器12.单向阀13.液压油泵14.油箱15.溢流阀17.油泵

(1) 气体管路部分。洁净的空气通过工厂气源1通过空气干燥器2进行去湿干燥后进入气动三联件3, 此时的气体是洁净干燥的气体, 通过换向阀4和压力继电器5进入油气混合体6。气体进入油气混合体时的压力为0.2MPa。

(2) 润滑油管路部分。在油箱14上通过液压油泵13将润滑油打入主油路, 经单向阀12过滤器11和减压阀7、8进入油气混合体6;在此部分管路中, 溢流阀15是起保险作用, 压力表10的作用是显示压力, 压力继电器9的作用是报警。润滑油量大小可以采用增加节流体油管长短来减少或增加, 也可以在主油路增加节流阀实现。

(3) 润滑油回收油路部分。滑枕回油经油泵17和过滤器16被送回大油箱。

油气混合体6是洁净气体与润滑油混合的地方 (见图2) , 主气路直接进入油气混合体6, 通过气路2进入各分气阀3后, 等待与主供油混合。主油路进入油气混合体6后, 通过阻尼节流体1, 向下进入分气阀3后与气体混合, 进入各润滑点。

1.阻尼节流体2.气路3.分气阀

油的润滑量很小, 与轴承型号规格有关, 例如200mm轴径需润滑油60m L/min (而普通润滑为300m L/min) , 其余数值可由轴承手册查出, 而气量则由分气阀3内孔控制, 孔径为1.2mm。主气压为0.12~0.15MPa, 主油路为3MPa。

4 应用

此套润滑装置在我厂生产的数控落地铣镗床上试用后测得:主轴在1500r/min时, 温升为20℃, 而同规格机床, 在同转速情况下, 温升为42℃, 超过国家标准规定。效果明显。

5 结语

此套主轴油气润滑装置的特点:油对轴承润滑后可回收, 循环利用, 油不形成气雾, 不污染环境, 油量消耗少, 且流量大小可调;气体的作用是将轴承旋转产生的热量迅速带出, 保证主轴较低的温升, 能够实现主轴的高速运转。

此套装置既具备油润滑的优点, 又具备气雾润滑的特点, 因此可保证主轴在高转速下发热小、温升小, 使主轴保持良好的热稳定性, 从而有利于保证主轴的精度及加工精度。同时由于润滑油消耗小, 又可回收利用, 既节能, 又环保, 并可为用户节省一定的成本。

摘要：针对高转速主轴, 设计一种新型油气润滑装置, 通过该装置能够保证主轴在高速运转时, 保持较低的温升, 从而保证主轴的精度及加工精度。

关键词：高速主轴,油气润滑,低温升

参考文献

[1]《机床设计手册》编写组.机床设计手册[M].北京:机械工业出版社, 1986.

主轴装置 篇7

矿井提升系统是一套集机、电、液为一体的复杂设备,在煤矿生产过程中,矿井提升设备是生产运输的重要工具,主要担负着升降人员、设备和提升煤炭和下放材料的任务,是将井上和井下联系起来的唯一途径,被称为矿井生产的“咽喉”。主轴装置作为提升机的重要承载部件,一旦损坏,不仅直接影响矿井的生产能力和经济效益,而且会对井下工作人员的安全构成极大的威胁。因此,作者针对山西焦煤西山煤电马兰矿副立井研发了一套提升机主轴装置振动在线状态监测与故障诊断系统,具有较高的推广应用价值。

1 主轴装置结构简介

主轴装置是提升机的主要工作机构和承载部件,主要由卷筒、主轴、主轴承、制动闸盘等组成,多绳摩擦式提升机主轴装置的结构如图1所示,卷筒为焊接结构,用高强度螺栓、过盈配合或键与主轴法兰盘相连,主要由筒壳、左右辐板、左右轮毂、支环和挡绳侧板焊接而成;主轴承采用滚动轴承,滚动轴承由滚动体、内圈、外圈和保持架四种元件组成的,其内圈与主轴的轴颈通过过盈配合联接,工作时随主轴一起转动,外圈固定在轴承座上;制动闸盘分为不可拆卸的焊接式闸盘和可拆卸式组合闸盘,不可拆卸的焊接式闸盘,就是将制动盘焊接到滚筒上,可拆卸式组合闸盘,即制动盘和筒壳主体采用高强度螺栓、大平面摩擦连接或铰孔螺栓与过孔螺栓交错联接。

2 系统总体方案设计

提升机主轴装置振动状态监测与故障诊断系统主要由硬件和软件两部分组成,整个系统的工作过程是:振动传感器将主轴装置轴承处的振动信号传至安装在工控机中的数据采集卡,继而由数据采集卡将信号传输到上位机,在上位机的组态软件中完成数据的实时显示、历史数据的存储、报表查询和打印、超限报警等。然后再通过组态软件WEB发布功能实时发布上位机的监测画面,以便监控中心和调度中心对现场提升机的运行状态实时监控,并利用组态软件的SQL访问功能将数据保存到本地服务器的SQL Server数据库中,进而利用SQLServer数据库的复制订阅技术将数据实时地传输到远程故障诊断中心,为故障诊断提供有力的数据支持,系统结构原理如图2所示。

3 系统硬件选型

振动信号传感器采用扬州科动电子技术研究所研制的型号为KD1200LS的三向压电加速度传感器,该传感器体积小、重量轻、安装简单、频响范围宽(0~50k Hz),并有很大的测量范围,适合轴承座和壳体的振动加速度测量,并适合于低频率、低噪声、高分辨率的振动信号测量。本系统的振动传感器安装于主轴两端的轴承顶部,现场安装位置如图3所示。

数据采集卡选用研华生产的PCI–1713智能板卡,可方便地插入工控机的扩展卡槽中,该卡的主要特点有:(1)灵活的输入类型和范围;(2)高速数据采集;(3)满足隔离保护要求;(4)工业过程监测与控制;(5)变送器/传感器接口;(6)多路直流电压测量,选用该数据采集卡能够满足系统的数据采集要求,采集过程如图4所示。其他的硬件包括恒流适配器、工控机和本地服务器等,系统硬件的连接如图5所示。

4 系统软件设计

软件部分是整个系统的核心,软件的选用必须和硬件相符合,本系统选用组态王6.53软件作为整个监测系统的基本平台,实现数据的实时采集、显示、历史数据的查询和存储、超限报警等功能,其功能结构如图6所示,主监测界面如图7所示,其中振动速度均方根值即振动强度,它反映了包含各次谐波能量的总振动能量的大小,通常情况下我们会采用振动烈度来衡量振动强度的大小。监测振动位移幅值,即一次提升过程中最大位移与最小位移(含负值)差的绝对值,用以判断基础是否薄弱。

5 试验研究

对该系统经过多次试验和调试,现已成功应用到西山煤电马兰矿副立井提升机的主轴装置振动故障诊断中,以下对提升机主轴系统振动状态监测与故障诊断中心的远程网站使用方法做简单的介绍。

(1)首先在浏览器的地址栏中输入正确的地址,进入“多绳摩擦提升机主轴系统振动状态监测与故障诊断系统”界面,如图8所示。首页中的系统简介主要介绍该系统所具备的功能,主要有技术参数的查询、监测中心、诊断中心和趋势预测等功能。

(2)单击“监测中心”,进入监测中心界面,如图9所示,该界面监测的数据变化与现场组态王监测画面同步,可实现远程监控的功能。

(3)点击“诊断中心”按钮,弹出诊断中心页面,如图10所示。界面中主轴轴承处的振动烈度值是实时调用本地数据库服务器中的数据,若某个方向上的振动烈度超过了标准规定的界限值,振动烈度的报警灯就会变为红色,提醒工作人员需对此现象进行诊断。

(4)点击图10中“诊断”按钮,即在弹出的另一页面上显示出对于某个方向上的振动烈度超限原因分析的详细结果,如图11所示。

以上简单介绍了多绳摩擦提升机主轴系统振动状态监测与故障诊断系统的使用方法,并结合实时监测数据和实时监测画面,给出提升机主轴轴承处出现振动烈度超限时的诊断过程。

6 结语

本文将计算机技术、网络技术、设备状态监测技术、数据库技术等结合起来,开发出一套基于组态软件平台的多绳摩擦提升机主轴系统振动状态监测与远程故障诊断系统,并进行相应的试验研究,试验结果表明:该监测与诊断系统能真实地反映矿井提升机主轴系统的振动状态,通过对提升机主轴及轴承在线振动状态监测,能及时掌握和判断设备是否存在故障,若存在故障,则及时采取相应的措施,避免事故的发生及事故带来的巨大经济损失,从而实现按状态维修,真正达到“预知维修”的效果,并可延长检修周期和缩短检修时间,提高检修质量和设备的维修管理水平。

摘要：本文针对山西某煤矿提升机主轴装置的振动现象,开发出一套基于组态软件平台矿井提升机主轴装置振动状态实时监测与远程故障诊断系统。经试验与调试,该系统能较准确地诊断出主轴装置振动的原因,为煤矿实现预知维修提供了可靠的依据。该系统可完成已有的人工监测记录与经验故障诊断向在线实时监测与科学诊断的转变,实现矿井提升机的现代化管理。

关键词：矿井提升机,主轴装置,振动状态监测,故障诊断

参考文献

[1]刘芬,孟淑琴.矿井提升机振动监测系统的设计及其故障诊断[J].工矿自动化,2008,(2):108-110.

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[3]乔国厚.基于振动信号分析的矿井提升机主轴装置在线监测与故障诊断系统设计应用[J].矿山机械,2013,41(12):51-55.

[4]黄民,李功,张永忠.矿井提升机振动测试与故障诊断[J].煤矿机械,2002,(12):79-81.