張祥雷， 馮偉， 陳站， 李睿

（1.廈門大學物理與機電工程學院，福建廈門361005；2陜西漢中機床有限公司，陜西漢中723003）

0 引言

主軸系統(tǒng)作為數(shù)控機床的心臟部件，其動靜態(tài)特性直接關系到機床的加工性能［1］。主軸振動試驗是在不同轉(zhuǎn)速下測量主軸的振動量，包括振動位移、速度、加速度的幅值和相位、振動的時間歷程、頻率等。通過主軸振動試驗，可以找到主軸在使用過程中可能發(fā)生的共振點，或者主軸振動量偏大的轉(zhuǎn)速區(qū)域，以避免主軸在共振區(qū)或不穩(wěn)定狀態(tài)下工作［2］。

圖1 液體靜壓軸承主軸的實驗平臺

本文在液體靜壓軸承的實驗平臺（圖1）上對不同轉(zhuǎn)速下主軸的振動進行測量，并測量主軸在每個指定速度保持運轉(zhuǎn)間隔15 min的主軸溫升和振動值，研究溫升對主軸振動的影響。

圖2 傳感器布置圖

1 主軸振動試驗

本次試驗使用激光位移傳感器檢測主軸的X方向（水平）和Y方向（豎直）振動值，如圖2所示。由于實測主軸已經(jīng)裝配于主軸箱體中，無法直接檢測主軸前后軸承的振動情況，所以試驗的第三個激光位移傳感器的測點布置在主軸箱的前軸承安裝部位，因為該點的振動最能反映前軸承的振動。根據(jù)主軸試驗平臺與機床的實際轉(zhuǎn)速限制，對液體靜壓軸承主軸的轉(zhuǎn)速試驗范圍設定為0～1 500 r/min，主軸從初始轉(zhuǎn)速每次間隔上調(diào)100 r/min，每個轉(zhuǎn)速穩(wěn)定10 s后增速。測試數(shù)據(jù)通過與激光位移傳感器相配套的LK-Navigator2軟件進行采集。振動試驗總共進行了3組，將3組試驗的振動振幅數(shù)據(jù)提取后建立與轉(zhuǎn)速對應的曲線，如圖3所示。

圖3 主軸轉(zhuǎn)速與振動曲線

由圖3的主軸振動數(shù)據(jù)可以得出以下結論：

1）由于測試環(huán)境中含有噪聲及其他振動因素，故每次測量過程的初始狀態(tài)都有近1滋m的漂移。這個干擾同樣存在于測試過程中，因此測試結果分析時要排除這個干擾。

2）液體靜壓軸承主軸的振動在轉(zhuǎn)速低于500 r/min時振幅較大，隨后振動趨于平穩(wěn)。當轉(zhuǎn)速接近1 350 r/min時，主軸振動明顯變大，之后又趨于穩(wěn)定。除去兩個振動過大的轉(zhuǎn)速區(qū)域，并排除干擾的影響，主軸振動幅值基本上在2～6滋m范圍內(nèi)。

3）Y方向的振動值大于X方向的振動值，可見主軸在豎直方向獲得的支撐力度比水平方向少，而事實上試驗的主軸恰是側面固定于試驗平臺的安裝架上。

4）主軸箱體的振動隨著主軸轉(zhuǎn)速的變化也有相應的變動，并呈逐步上升的趨勢，在高速時逐步下降。而最大的振動發(fā)生在轉(zhuǎn)速為1300～1450r/min時，振幅平均有3.67滋m。

2 主軸溫升試驗

主軸轉(zhuǎn)速越高，溫升越大，熱變形也越大，隨著運轉(zhuǎn)時間的增加，整個變形也將越大。由于本次測量的主軸沒有配置相應的冷卻系統(tǒng)，油液的溫度將隨著主軸運轉(zhuǎn)時間的增加而增加，很難達到熱平衡狀態(tài)，甚至在未到達熱平衡狀態(tài)時油液溫升已經(jīng)超過限制。故此，本次試驗主要采取每個指定轉(zhuǎn)速運轉(zhuǎn)15 min，再記錄相關主軸振動參數(shù)，如圖4所示。

圖4 溫升試驗過程中主軸轉(zhuǎn)速與振動曲線

3 溫升對主軸振動影響的分析

比較圖3與圖4可以看出，溫升試驗過程中主軸的振動相比振動測試振幅總體上減小了1～2滋m，是溫升導致主軸部件發(fā)生熱膨脹，提高了接觸剛度，即主軸的剛性隨著溫度的升高會增加。主軸發(fā)生大振動的轉(zhuǎn)速區(qū)域也發(fā)生了變化，低速區(qū)大振動區(qū)域由原來的0～500 r/min縮小為0～300 r/min，高速區(qū)大振動區(qū)域由原來1 300～1 450 r/min變?yōu)? 250～1 400 r/min，即比原先提早發(fā)生并結束振動過大現(xiàn)象。

4 結語

本文針對液體靜壓軸承的主軸進行了振動試驗和溫升試驗，分別研究了主軸在不同轉(zhuǎn)速下的振動情況和溫升對振動的影響，發(fā)現(xiàn)隨著溫度的變化，主軸的整體剛性得到加強，低速區(qū)的大振動區(qū)域變小，高速區(qū)的大振動區(qū)域從原來的1 300～1 450 r/min變?yōu)? 250～1 400 r/min，即提前發(fā)生大振動。另一方面，由于實驗主軸對油液沒有進行冷卻，主軸在試驗結束時油溫接近限定值，若長期使用主軸，需要對油液安裝一個溫度報警器。

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