基于ANSYS的高压巡检机器人电机主轴动态分析
基于ANSYS的全陶瓷电主轴动态分析及振动性能测试
ｍ ｅ ｈ ｆ Ａｎｓ ｓ ｉ ｄｉａ ｅ ｈ ｔ ｔ ｅ ｉ ｎｅ ｒ ｎ ｐｅ ｄ ｏ ｐ ｎｄ ｅ ｗａ ａ ｗａ ｏ ｉｓｌ ｉｅ ｏ ａｅ ｓ ｅ ｄ ｉ ｃ ｌ ｖ ｉ ｈｅ ｒ ｇ ｏ ｆ ｔ ｏｄ ｏ ｙ ｎ ｃ ｔ ｄ ｔ ａ ｈｅ ｄ ｓ ｇ ｄ ｗｏ ｋｉ ｇ ｓ ｅ ｆｓ ｉ ｌ ｓ ｆ ｒａ ｙ ｆ ｍ ｔ ｉ ｔ ｄ ｒ ｔ ｔ ｐ ｅ ． ｏｕ ｄ ａ ｏ ｄ ｔ ｅ ｉ ｎ ｏ ｒ ｍ ｔ ｓ ｙｍｐａｈｅ ｉ ｉ ｒ ｔｏ ｓ ｅ ｅ ｔ ｅ ｙ ｔ ｃ ｎ ｂ ｅ ｉ ｅ ｈ ｔ ｔ ｉ ｒ ｔｏ ｏ ｏｒｚ ｄ ｓ ｎｄ ｅ ｗ ａ ｔ ｂ ｅ ｕｎ ｒ ｔ ｅ ｄ ｓｇ ａ ｇ ｈ ｏ ｈ ｔ ｔ ｔｃ ｖ ｂ ａｉ ｎ ｆ ｃ ｉ ｌ ；ｉ ａ ｅ ｖ ｒ ｆ ｄ ｔ ａ ｈｅ ｖ ｂ ａｉ ｎ ｏｆｔ ｍ ｔ ｉ ｅ ｐｉ ｌ ｓ ｓａ ｌ ｄｅ ｈ ｅ ｉ ｎ ｒ ｎ ｅ ｔ ｒ ｕｇ ｈｅ ｖ ｉ ｈｅ ｒ ｓ ｔｏ ｈ ｂ ａ ｉ ｎ ｐｅ ｆ ｒ ｎ ｅ ｔ ｓ ， ｈ ｃ ｌｏ ｖ ｒｆｅ ｈ ｅ ｉ ａ ａ ｉ ａ ． ｅ ｕｌ ｆｔ ｅ ｖｉ ｒ ｔｏ ｒ ｏ ｍａ ｃ ｅ ｔ ｗ ｉ ｈ ａｓ ｅ ｉ ｄ ｔ ｅ ｄ ｓ ｉ ｎ ｇ ｗ ｓｒ ｔ ｏｎ １
摘 要 ：对设 计 的 全 陶瓷 电主 轴 进行 结 构 分析 ，在 Ａ ＹＳ中建立 了其轴 承 一主轴 转 子 系统 三 维 有 限元 模 ＮＳ 型 。采 用 Ｓ ｂｐ ｃ ｕ ｓａｅ法计 算 了前 ６阶 固有频 率 和振 型 。计 算 出临界 转 速 ．然后 通过 Ｈａｍｏ ｉ 析 ｒ ｎｃ分
基于ANSYS的传动轴受力分析
基于ANSYS的传动轴受力分析引言：传动轴是一种将动力传输到机器的旋转轴。
在实际应用中，传动轴常常承受着很大的受力。
为了确保传动轴在运行过程中的可靠性和安全性，需要对传动轴的受力进行分析和优化。
本文将基于ANSYS软件对传动轴的受力进行分析。
一、建立传动轴的有限元模型在ANSYS中，首先需要建立传动轴的有限元模型。
有限元法是一种数值计算方法，通过将实际结构离散化为有限个单元，来近似模拟连续介质的力学行为。
建立传动轴的有限元模型有助于我们分析和优化传动轴的受力。
二、给定边界条件和加载条件在进行有限元分析前，需要给定传动轴的边界条件和加载条件。
边界条件是指模型的固定部分或约束，加载条件是指施加在传动轴上的力或力矩。
在传动轴的受力分析中，常见的加载条件有转矩加载和弯曲加载。
三、进行材料属性的定义在进行有限元分析前，需要对传动轴的材料属性进行定义。
材料属性包括弹性模量、泊松比和密度等。
这些属性可以通过实验获取，也可以通过材料手册查询获得。
四、进行有限元分析在以上准备工作完成后，可以开始进行有限元分析。
有限元分析通过对传动轴模型进行网格划分，求解传动轴在加载条件下的应力和变形情况。
在ANSYS中，可以选择合适的求解算法和网格划分方式。
通过有限元分析结果，可以直观地了解传动轴承受力的情况。
五、对结果进行评估和优化有限元分析得到的结果可以用于评估传动轴的受力情况。
通过对应力分布和变形情况的分析，可以判断传动轴是否满足强度和刚度要求。
如果不满足要求，可以进行优化设计。
例如，可以调整材料的种类和尺寸，或者增加支撑结构以提高传动轴的强度和刚度。
六、验证和验证最后，需要对有限元分析的结果进行验证和验证。
验证是指将模型的计算结果与理论计算或实验数据进行对比，验证模型的准确性和可靠性。
验证可以通过比较有限元分析结果和理论分析结果来实现。
验证是指通过改变模型的一些参数或加载条件，来验证分析结果的可重复性和一致性。
结论：本文基于ANSYS软件对传动轴的受力进行了分析。
基于Ansys Workbench的CJ19024机床主轴实验模型振动力学分析
ｆｉｒｓｔ ６ ｏｒｄｅｒｓ ｏｆ ｔｈｅ ｍａｉｎ ｓｈａｆｔ ａｒｅ ｏｂｔａｉｎｅｄ. Ｔｈｅ ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐ ｂｅｔｗｅｅｎ ｔｈｅ ｆｒｏｎｔ ａｎｄ ｅｎｄ ｄｉｓｐｌａｃｅ￣
对于研究主轴系统的振动具有显著效果ꎬ同
时能够提高主轴系统的精度、强度ꎬ以及有效
地抑制主轴的共振 [１１ － １５] . 因此ꎬ在静态分析
的基础上进行模态和谐响应分析ꎬ不仅能够
分析静力的应力、应变、静力负载等ꎬ也能研
究在静力负载下的各种响应ꎬ使其更能满足
现实情况的需要 [１６ － ２０] . 笔者以某公司的数控
ｔｏｏｌ ｓｐｉｎｄｌｅ ｓｙｓｔｅｍ. Ａｎｄ ｔｈｅ ｈａｒｍｏｎｉｃ ｒｅｓｐｏｎｓｅ ｏｆ ｔｈｅ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｍｏｄｅｌ ｉｓ ｏｂｔａｉｎｅｄ. Ｔｈｅ ｎａｔｕｒａｌ
ｆｒｅｑｕｅｎｃｉｅｓ ｏｆ ｔｈｅ ｍａｉｎ ａｘｅｓ ａｔ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｓ ａｒｅ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔꎬａｎｄ ｔｈｅ ｆｉｒｓｔ ｔｈｒｅｅ ｎａｔｕｒａｌ ｆｒｅ￣
ＣＪ１９０Ｚ４ 数控机床的加工对象为轴类零件ꎬ
系统的实验模型ꎬ研究其在静动态特性下的
包括阶梯轴和非圆曲面的凸轮轴. ＣＪ１９０Ｚ４
各项响应ꎬ从而得到机床主轴的薄弱环节和
机床的主轴采用带通孔的阶梯形轴和两端支
振动情况的参数ꎬ分析结果能在产品设计阶
撑的结构. 加工过程中需要通过不断改变刀
段就能对主轴部件静、动态特性做出符合实
基于AYSYS铣床主轴动力学分析
. )7)H7.
) B)CHDE
# B)CHK)
阶次 频率 （@A）
#$%&6""" ’$()*$+" ,*-.)-’/0" 1," 202(-3" )’4-*" 40’$35/" /1’45(51’
7 #BCHKC . #BCHKK ) 7DE#H7 # 7DECHB
速等因素分别作为载荷约束，对主轴系统进行静力学分 析， 将分析结果作为动力学分析的预应力。简单而言就是 将多个静力学分析的耦合结果作为动力学的研究前提条 件， 来寻求实际动态下动力学问题的解答。这里先假定一 组数据， 取主轴转速 !"#$$$%&’， 扭矩 ("#)$$* ・ 当纯 ’’。 粹考虑扭矩对系统固有频率的影响时系统的振动运动微
.$$?7.$$@A 变化过程 中 ， 6 点的振兴均出现 . 个峰值，分别出现在 #BC@A、 7DEC@A 附近 。
这说明， 系统在 .$$?7.$$@A 范围内的固有频 率为 #BC@A 和 7DEC@A。 按前面讲述的研究思路， 将扭矩、 转速等 因素分别作为载荷约束，先对主轴系统进行 静力学分析，将分析结果作为动力学分析的 预应力， 并设置如图 # 所示的边界条件。对主 轴系统进行模态分析， 其分析结果如表 .。图
武汉： 华中科技大学出版社 37KK.H 机械工业出版社， 7KB)H +#, 杨 木肅3唐恒龄3廖伯瑜H机床动力学+I,H北京：
!"#"$%&’ () *+,$-.& /’$%$&0"%.#0.& () 1$&’.," 2((3# 4$#"5 67898
基于ANSYS的电机转子的动力学分析
现代工业上旋转机械单机容量在不断增大，而转子直径不可能随其容量的增大而按比例增大。
高转速轻结构是近代高速旋转机械的发展和设计趋势。
本文使用ansys研究了电机转子动力学问题，得出ansys可以计算转子动力学问题。
1 引言转子动力学的研究，最早可追溯到十九世纪六十年代。
一个多世纪以来，随着大工业的发展，转子系统被广泛地应用于包括燃气轮机、航空发动机、工业压缩机等机械装置中，在电力、航空、机械、化工、纺织等领域中起着非常重要的作用。
因而，转子动力学有着极强的工程应用背景，其相关的研究工作也越来越受到人们的重视。
由于材质的不均匀，制造、加工及安装误差等，转子系统不可避免的存在着质量偏心，同时转子在工作过程中还可能产生热变形以及磨损和介质的姑附等现象，这些因素或多或少都会导致转子不平衡的增大从而使转子的不平衡振动增大。
由过大的不平衡量引起的转子系统的振动是十分有害的，它使机械的效率降低、载荷增加，使一些零部件易于磨损、疲劳而缩短寿命，较大的振动还会恶化操作人员的劳动环境，甚至会导致发生机毁人亡的严重事故。
消除或者减小转子系统的振动首先考虑是对转子进行平衡。
现代工业上旋转机械单机容量在不断增大，而转子直径不可能随其容量的增大而按比例增大。
高转速轻结构是近代高速旋转机械的发展和设计趋势。
转子设计和发展的这种趋势对转子的质量不平衡提出了严格的限制。
这种情况下，转子的动力学变得更加突出和重要。
本文使用ansys研究了某电机转子的动力学问题，为转子动力学设计找到了一个新的途径。
2 模型的建立及计算如图1所示，为电子转子的有限元模型，使用BEAM188单元模拟转子的轴，使用MASS21单元模拟转子，使用单元COMBI214模拟轴承。
图1 电机转子的有限元模型（不显示单元）图2 电机转子的有限元模型（显示单元）图3给出了Beam188 单元的几何简图。
Beam188单元适合于分析从细长到中等粗短的梁结构，该单元基于铁木辛哥梁结构理论，并考虑了剪切变形的影响。
基于ANSYS的Y7125磨齿机主轴系统动态特性研究
维普资讯
２０ 年 第 ３ ０８ 期
张 文 丽 ，等 ：基 于 ＡＮ Ｙ Ｓ Ｓ的 Ｙ７ ２ １ ５磨 齿 机 主 轴 系统 动 态特 性 研 究
・７ １。
解， 其材料 相关参 数 为 ： 弹性 模量 Ｅ 一２ Ｏ ｘ１ ｎ ａ ｘ ．６ Ｏ Ｐ ， 泊松 比 ｖ ． ，密 度 ｌ ５ ｋ ／ 。 ＝０ ３ Ｄ 一７８ ０ ｇ ｍ。
有典 型性 ，在生 产 中有较 多应用 。其砂 轮 主轴 系统是 整个 机床 的重要组 成 部分 ，它 的前 端 部安装 砂轮 实现 磨削 主运动 ，其 动态性 能对 工件 的加工 精度 、表 面粗 糙度 和生产 效率影 响很 大 。 为保证 加工零 件 的高精 度 ，
主轴 系统必须 具有 良好 的动 态特性 ，因此 ，对 主轴系 统 的动力学 进行研 究有 着非 常重要 的 意义 。 １ 砂轮 主轴 系统 的模 态分析
Ｕｘ — 一 一０ ，后 支 承约束 自由度 Ｕ ： ｚ ，加 ＝０
约 束 后 的有 限元 模 型见 图 ２ 。然 后对 上 述模 型进 行 求
作 者 简 介 ：张 文 丽 （ ９ ５）女 ， 西屯 留人 ． 师 ． 士 ． １ ６一 ， 山 讲 硕 主要 从 事 机 械 制 造 技 术 方 面 的 研 究 与 教 学 工作 。
８ ２ ．１ ５
１ ４ 分 析 １ 。
表 １ 主 轴 系 统 固 有 频 率 和 振 型
模 态 阶 数 频 率 （ ） 临 界转 速 （／ ｎ Ｈｚ ｒ ｍｉ） １ ３ ４ ５ ０．４ １ ７ ８２ ０
２ ３ ４ ３ ３ ６ ２．０ ３ ６ ０ ３．０ ３ ６ ０ ８．３ １ １ ９４ ６ ２ ６ ０ｌ ０ ２ ６ ３ｌ ２
振 幅 为 ８ １ ６ ｉ。 ．１ｇ ｎ
基于ANSYSWorkbench机床主轴有限元分析
基于 Ａ Ｎ Ｓ Ｙ Ｓ Ｗｏ ｒ ｋ ｂ ｅ ｎ ｃ ｈ机床主轴有 限元分析
方 鹏， 李 健， 韦 辽
（ 广西工学 院机械工程系 ， 广西 柳州 ５ ４ ５ ０ ０ ６ ）
研究进展［ Ｊ ］ ． 机械设计与制造 ， ２ ０ ０ ９（ １ ０ ） ： ２ ５ ９ — ２ ６ ０ ．
分析 ， 得 到应 力 和应 变 分布情 况 。通过 对 主轴进 行设
京： 河海大学 ， ２ ０ ０ ７ ．
计， 得 出优化后的主轴 比优化前 的主轴体积更小 、 性 能更好 ，提高了机床 的工作性能 ，减轻 了主轴的 自
［ ４ ］ 周 大帅 ， 伍 良生 ， 李 俊． 机床 主轴 系统化热 态及 变形特 性
限元计算结果的分析 ， 得到应力和应 变分布情 况。通过设计 ， 提 高了机床 的工作性 能 ， 减轻 了主轴的 自重 ， 节省 了材料 ，
降低 了成 本 。
关键词 ： 机床 ； 主轴 ； Ａ ＮＳ ＹＳ Ｗｏ ｒ ｋ ｂ ｅ ｎ ｃ ｈ ； 有限元分析 中图分 类号 ： Ｔ Ｐ ３ ９ １ ． ７ 文献标识码 ： Ａ 文章编号 ： １ ６ ７ ２ — ５ ４ ５ Ｘ （ ２ ０ １ ３） ０ ４ — ０ ０ ２ ８ — ０ ３
收稿 日期 ： ２ ０ １ ３ — ０ １ — １ １ 作者简介 ： 方 鹏（ １ ９ ８ ６ ＿ ， 男， 硕士研究生 ， 研究方 向： 机械设计 及理论 ； 李 健（ １ ９ ６ ５ 一） ， 男， 教授， 主要 从事数字化 设计与制造方 面的研 究 ； 韦 ｉ ￣ ． （ １ ９ ８ ６ 一 ） ， 男， 硕士研究生 ， 研究方 向： 机械设计及理论。 ２ ８
基于ADAMS的巡线机器人运动学、动力学仿真
基于ADAMS的巡线机器人运动学、动力学仿真一、本文概述Overview of this article随着科技的不断发展，巡线机器人在电力、通信、物流等领域的应用越来越广泛。
巡线机器人的设计和控制涉及到复杂的运动学和动力学问题，因此，对其进行精确的仿真分析具有重要的理论和实践意义。
本文旨在利用ADAMS（Automated Dynamic Analysis of Mechanical Systems）这一先进的机械系统动力学仿真软件，对巡线机器人的运动学和动力学特性进行深入的研究。
With the continuous development of technology, the application of patrol robots in fields such as power, communication, and logistics is becoming increasingly widespread. The design and control of patrol robots involve complex kinematic and dynamic problems, therefore, accurate simulation analysis of them has important theoretical and practical significance. This article aims to use ADAMS (Automated Dynamic Analysis of Mechanical Systems), an advanced mechanical system dynamics simulation software, toconduct in-depth research on the kinematic and dynamic characteristics of line patrol robots.本文首先介绍了巡线机器人的基本结构和功能，阐述了其运动学和动力学仿真的必要性。
基于ANSYS的全陶瓷电主轴动态分析及振动性能测试
从而提高国产加工中心等数控机床在国际市场上的竞争 力， 使我国在该领域的研究和应用达到世界领先水平[1，2]。
电主轴部件是整个加工中心的核心部件， 其动态特 性将对机床的加工精度、 被加工表面的质量和生产率产 生很大影响。 因此， 对高速电主轴进行动态分析， 具有 十分重要的意义。
笔 者 应 用 有 限 元 软 件 ANSYS 对 实 验 室 最 新 设 计 的 全陶瓷电主轴进行了动态分析， 确定其固有频率和振 型， 得到在不同激励下的动态响应， 其结果为评价电主 轴的动态特性提供了依据。 同时对组装好的电主轴进行 了振动性能测试， 测试结果表明在设计转速范围内电主 轴不会发生共振， 符合要求， 同时验证了有限元分析结 果是合理可行的。
5 在 ANSYS 中 的 谐 响应分析
of motorized spindle
固有频率 临界转速
阶
/Hz
/r·min-1
2 2145.8 128748
3 2147.1 128826
4 3141.4 188484
5 3180.8 190848
6 4284.3 257058
谐响应分析用于分析连续的周期性载荷在结构系统 中产生的持续的周期响应 （谐响应）， 以及确定线性结 构承受 （随时间） 按正弦 （简谐） 规律变化的载荷时的 稳态响应。 这种只计算结构的稳态受迫振动， 发生在激 励开始时的瞬态振动则不在谐响应分析中考虑。 谐响应 分析是一种线性分析， 但是也可以分析存在预应力的结 构 [8]。 谐响应主要采用三种方法求解： Full 法、 Reduced
为： n=60×f。 将主轴的固有频率转化为临界转速见表 2。
主轴设计的最大工作转 表 2 电主轴的临界转速
速 为 30000 ~40000r/min， 从 Tab.2 Limited rotate speeds
ANSYS动力学分析
结构动力分析研究结构在动荷载作用的响应(如位移、应力、加速度等的时间历程)，以确定结构的承载能力和动力特性等。
ANSYS动力分析方法有以下几种,现分别做简要介绍.1.模态分析用模态分析可以确定设计中的结构或机器部件的振动特性（固有频率和振型）.它也可以作为其他更详细的动力学分析的起点，例如瞬态动力学分析、谐响应分析、谱分析。
用模态分析可以确定一个结构的固有频率和振型。
固有频率和振型是承受动态荷载结构设计中的重要参数.如果要进行谱分析或模态叠加法谐响应分析或瞬态动力学分析，固有频率和振型也是必要的。
ANSYS的模态分析是一线性分析,任何非线性特性（如塑性和接触单元）即使定义了也将忽略。
可进行有预应力模态分析、大变形静力分析后有预应力模态分析、循环对称结构的模态分析、有预应力的循环对称结构的模态分析、无阻尼和有阻尼结构的模态分析。
模态分析中模态的提取方法有七种，即分块兰索斯法、子空间迭代法、缩减法或凝聚法、PowerDynamics 法、非对称法、阻尼法、QR阻尼法,缺省时采用分块兰索斯法。
2。
谐响应分析任何持续的周期荷载将在结构中产生持续的周期响应（谐响应）。
谐响应分析使设计人员能预测结构的持续动力特性，从而使设计人员能够验证其设计能否成功地克服共振、疲劳及其他受迫振动引起的有害效果。
谐响应分析是用于确定线性结构在承受随时间按正弦(简谐）规律变化的荷载时的稳态响应的一种技术。
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值（通常是位移）对频率的曲线。
从这些曲线上可以找到“峰值”响应，并进一步观察频率对应的应力。
这种分析技术只计算结构的稳态受迫振动.发生在激励开始时的瞬态振动不在谐响应分析中考虑。
谐响应分析是一种线性分析。
任何非线性特性，如塑性和接触（间隙）单元，即使被定义了也将被忽略，但在分析中可以包含非对称系统矩阵，如分析流体-结构相互作用问题。
谐响应分析同样也可以分析有预应力结构,如小提琴的弦（假定简谐应力比预加的拉伸应力小得多)。
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基于ANSYS的高压巡检机器人电机主轴动态分析
孙爱芹,王吉岱,李 磊,林学海
(山东科技大学机械电子工程学院,山东青岛266510)
摘要:采用工程分析软件ANSYS进行了电机轴的建模,并作模态分析,把轴承弹性约束,求
出了轴的各阶固有频率和振型,并求出了各阶的临界转速。同时求出不同弹性系数下的基本固有
频率,并分析弹性系数对基本固有频率的影响规律。经高压巡检机器人样机实际运行,效果较好,
模态分析法符合实际工程精度。
关键词:电机轴;有限元;固有频率;振型
中图分类号:TM33P38 文献标志码:B 文章编号:100320794(2008)0720083202
FEMModalDynamicsAnalysisofSpindleBasedonANSYS
SUNAi-qin,WANGJi-dai,LILei,LINXue-hai
(CollegeofMechanicalandElectronicEngineering,ShandongUnviersityofScienceandTechnology,Qingdao266510,China)
Abstract:ThemodalofaxisismadebyengineeringanalysissoftwareANSYS,modalanalysisismade,regard2
ingshaftingbearingaselasticrestrain.Finally,getthefreefrequencyandthevibrationshapeandworkoutthe
whirlingspeedindifferentsteps.
Keywords:spindle;FEM;freefrequency;vibrationshape
0 引言
对电力系统进行经济、有效地维护和监测以保
证供给消费者高质量和高可靠性的电力已经成为当
今电力工业最重要的任务。电力架空线路可以说是
现代社会的生命线,必须保证其完好不受损坏。目
前,国内巡线的方法主要依靠巡视人员的目测,很难
达到理想的效果,特别是对于山区和大江大河等的
输电线路巡检存在很大困难,甚至一些巡检项目靠
常规方法都难以完成,而且效率也非常低;另外,在
一些特殊的工作场合中,操作人员在工作时人身安
全常常受到威胁。
基于以上原因,采用机器人自动巡线成为保障
高压输电线安全运行的一种必要手段,研究一种可
靠的能完成带电作业的线路故障检测及其安全通道
巡视的技术载体具有极大的工程实用意义。
1 巡检机器人
巡检机器人以输电线路为行驶路径,并能跨越
防振锤、耐张线夹、悬垂线夹和杆塔等障碍物,携带检测仪器对线路实施检测,从而代替人工巡线。图1所示为国家863计划研制的高压高空带电作业巡检机器人样机。由图1知,电机是巡检机器人重要的执行部件,其性能好坏直接影响机器人能否完成巡检任务。而电机属于旋转机械,其动力学研究也是很重要的。其中电机主轴临界转速的计算尤其重要,在电机动力学研究中占有重要的地位。电机轴在引起共振时的转速称为电机轴的临界转速。如果电机轴的转速停留在临界转速附近,轴的变形将迅速增大,以致损坏轴甚至整个电机,严重时高空作业机器人有可能坠入地面,使整个机器遭到破坏。因此,对于电机轴,必须计算临界转速,使工作频率避开临界转速。图1 巡检机器人结构图11电机 21后臂 31中臂 41前臂用有限元法求转轴的固有频率和振型,从而求出其转速,使轴的工作转速限制在某个范围内。2 电机主轴系统建模(1)主轴部件结构分析电机轴全长80mm,最大直径为6mm,是一种阶梯轴,具有中空、多支承特点,如图2。同时,主轴承受多种载荷,主轴前端有切削力和弯矩作用,内装电机转子传递给主轴转矩等。电机轴采用45钢。轴的材料参数为:杨氏模量
E=210@109Pa,密度Q=7820kgPm3,泊松比L=
0128。本文通过ANSYS建立有限元模型。
图2 电机轴结构模型图
1、31轴承 21转子
(2)主轴有限元模型
为了真实、准确、有效地对主轴单元进行分析,
可采用三维有限元建模。选用SOLID45三维实体结
构单元,有限元模型见图3。
)83)
第29卷第7期
2008年 7月
煤 矿 机 械
CoalMineMachinery
Vol129No17
Jul.2008
图3 主轴有限元模型
(3)轴承有限元模型
为了减小误差,更真实地反应主轴的动态特性,
不能简单地将轴承作为刚性约束处理,应该将每组
轴承看作4个周向均布的压缩弹簧,见图4。每个
弹簧用弹性支承单元COMBIN14来模拟。每个弹簧
的刚度为相应轴承径向刚度。轴向预紧后的径向刚
度可参阅机械设计手册。
图4 主轴弹性支承模型图
11主轴 21弹簧 31电机壳
3 模态分析
模态分析可以确定一个结构的固有频率和振
型。固有频率和振型是承受动态载荷结构设计中的
重要参数,也是模态分析、谐响应分析和瞬态动力学
分析中必要的参数。
对模型采用Lanczos算法,使用稀疏矩阵来求解
广义特征值。此法计算精度高、速度快,而且在有限
元模型中允许有质量较差的实体单元,因此在工程
中常用来提取具有对称特征的大模型的多阶模态。
(1)结构振动可由每阶固有振型的线性组合表
示,其中低阶固有振型较高阶固有振型对结构的振
动影响较大,低阶振型对结构的动态特性起决定作
用,因此进行结构振动特性分析计算时提取了轴的
前5阶频率和振型,分别见表1和图5。图5 前5阶振型表1 弹性约束条件下固有频率、振型及临界速度阶数12345频率PHz76128219298367临界转速Pr#min-145607680131401788022020 根据有限元模拟得到的固有频率计算主轴的一阶临界转速n=60X=4560rPmin,高压巡检机器人所选电机的工作转速为1648rPmin,从模拟分析的结果来看,该电机的工作转速远低于临界转速,避开了共振区,保证机器人能完成预定工作。机器人样机的实验运行也证明了有限元模态分析主轴是可行的。(2)弹性支承刚度系数对电机轴固有频率的影响规律,见表2。表2 弹性单元刚度值不同时固有频率和临界速度弹性单元刚度一阶固有频率临界转速6.19@1097645606.19@10109255206.19@101110965406.19@101213681606.19@10131599540 由表2数据知,对于弹性约束的电机主轴,其固有频率随弹性支承刚度系数增大而增大,即增大弹性支承刚度,可以有效地提高轴的临界转速,有效避开共振。这在电机的选型中有一定的参考意义。4 结果分析(1)模态分析中,电机轴的工作转速远小于临界转速的70%,可以适当提高电机转速,利于提高整个机器人系统快速响应性。(2)提高主轴轴承刚度,可以有效提高电机主轴的临界转速,避开共振区域。(3)模态分析求解固有频率和振型,较传递矩阵法求解高阶模态精度高,并为谐响应分析及瞬态
分析奠定基础。
通过对电机主轴进行动力学分析,计算获得了
其各阶固有频率和主振型,与实验结果比较表明:研
究所建立的有限元模型是合理的,分析方法是可行
的,通过电机在巡检机器人样机上的实际应用,也印
证了分析模型和分析方法能满足实际工程应用。
参考文献:
[1]邵蕴秋.ANSYS8.0有限元分析实例导航[M].北京:中国铁道出
版社,2004.
[2]宋春明,赵宁,张士勇,等.基于ANSYS高速电主轴静动态特性研
究[J].煤矿机械,2007,28(4):58-60.
[3]廖伯瑜,周信民,尹宏志.现代机械动力学及其工程应用[M].北
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[4]钟佩思.基于ANSYS的鼓风机轴模态分析与仿真[J].煤矿机械,
2007,28(10):57-58.
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中国水利水电出版社,2006.
[6]张朝晖.结构分析与实例解析[M].北京:机械工业出版社,2005.
作者简介:孙爱芹(1980-),女,山东潍坊人,山东科技大学讲
师,2004年硕士毕业于大连理工大学机械电子工程专业,主要研究
方向计算机CAD及虚拟设计、机器人及智能控制系统,电话:0532-
86057684,电子信箱:saq800@sdust.edu.cn.
收稿日期:2008203207
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Vol129No17 基于ANSYS的高压巡检机器人电机主轴动态分析)))孙爱芹,等 第29卷第7期