? MK8440A型数控轧辊磨床砂轮主轴模态分析初光勇，朱昇 （铜仁职业技术学院，贵州铜仁 554300） 摘要：以MK8440A型数控轧辊磨床为研究对象，介绍了的主轴的结构，利用UG对磨床的主轴进行了三维建模，通过ANSYS软件进行模态分析，并对分析的结果进行了进一步探讨，找出了主轴的薄弱环节，使其在刚度指标上达到最优，并验证了设计的合理性。 关键词：轧辊磨床；砂轮主轴；有限元分析；模态 MK8440A型数控轧辊磨床是险峰机床厂较有代表性的大型机床，该机床具有很高的磨削精度，能够达到Ⅲ～Ⅳ级，轧辊磨削表面粗糙度可达Ra0.16，磨床的砂轮主轴是MK8440型数控磨床的关键零件，其强度、刚度、模态参数直接影响到加工精度[1]。传统的经验式计算方法难以验证砂轮主轴的结构是否满足防止共振的设计要求，而通过有限元分析技术，可以准确方便地获得磨床砂轮主轴强度、刚度、模态共振频率等参数，这些参数为主轴设计合理性提供理论参考。砂轮主轴中部支撑加入了滑动油膜轴承，该轴承可以使高速旋转的主轴保持良好的润滑效果和运行稳定性，主轴的结构如图1所示。 1 模态分析原理模态分析[2]用于确定优化结构设计或振动特性，计算它们的固有频率和振型[3]。具有有限个自由度线性振动系统的结构动力方程为：  （1）式中： 当结构不受外力载荷，阻力不计的时候，即{Q}＝0，动力方程变为：  （2）
图1 主轴的结构 上述方程为系统的自由振动方程，两端做傅里叶变换，得：  （3）记：
则有：  （4）式中：[H(ω)]为该系统的频响应函数矩阵，也称导纳矩阵；{X(ω)}为响应{X(t)}的傅氏变换。 导纳矩阵[4-5]与模态参数的关系式为：  （5）式中：{φ}i为系统的第i阶振型；mi、ki、ci分别为系统的第i阶质量、模态刚度和阻尼。 对于一般的工程问题，只要计算前6阶的模态即可。 2 砂轮主轴有限元分析砂轮主轴材料为40CrNiMoA，主轴具有转速高、启动时间长的特点，静力平衡下最大应力只有10 MPa，所以在分析时扭矩和疲劳破坏应该着重考虑。主轴的网格划分如图2所示。 通过图3所示的分析结果可以得出，最大位移发生在6阶固有振型之中，为0.335 mm，f＝450.16 Hz，n＝450.16×60＝27010 rad/min，实际工作转速为2500 rad/min，避开了共振频率，振型为两端摆动。通过模态分析确定了固有的共振频率，为后续的故障频率检测、避开共振频率奠定了基础。  图2 主轴网格划分 （a）1阶振型
（b）2阶振型 （c）3阶振型
（d）4阶振型 （e）5阶振型
（f）6阶振型 图3 前6阶固有振型 计算结果如表1所示。 表1 主轴的前6阶模态 模态频率/Hz最大位移/mm振型描述 100.0076刚性模态 20.590.1181刚性模态 3377.950.0183中部膨胀（对称） 4378.090.1831中部膨胀（对称） 5435.350.0388两端部摆动（反对称） 6435.450.3927两端部摆动（反对称） 3 结论在工业设备中，采用有限元方法的理论和技术，与现场工作实际状况相结合对关键零部件进行强度、刚度、模态等分析，有助于提高零部件的可靠性和设计效率，减少设计成本。 本次研究以MK8440A型磨床的关键零件砂轮主轴为例，结合现场的加工情况，对简化 后的模型进行有限元分析，结果表明，K8440A型数控轧辊分析结果与实际的加工状况基本符合，有限元分析为进一步改进设计参数、避开主轴的共振频率提供了重要的理论依据。 参考文献： [1]孔繁鑫，黄勤，李光喜，等. 高储能飞轮转子动态特性及应力分析[J]. 机械设计与制造，2014（5）：28-30. [2]赵荣丽，陈新，李克天，等. 简化橡胶层材料的送纸机构主轴有限元分析[J]. 机械设计与制造，2011（8）：10-12. [3]严明霞，肖靖凯，刘光亚，等. 基于 ANSYS 的摩擦式提升机主轴有限元分析[J]. 煤矿机械，2010（10）：94-96. [4]王成禹，王玉琢，邹世文，彭灵辉，胡建华，姚青青，姚海彪. 基于ABAQUS的JKM8330数控机床砂轮主轴有限元分析[J]. 制造技术与机床，2016（3）：79-83. [5]杨宏斌，徐广生. 镗缸孔数控机床主轴部件静动态性能分析[J]. 中国农机化学报，2016（9）：274-279. Modal Analysis of Grinding Wheel Spindle of MK8440A Numerical Control Roll GrinderCHU Guangyong，ZHU Sheng ( Tongren Polytechnic College, Tongren554300, China ) Abstract：Based on the research object of MK8440A type CNC roll grinding machine, Introduces the structure of the spindle of spindle of grinding machine using UG for 3D modeling, And modal analysis is carried out by ANSYS software, The analysis results were further discussed that the weak links of the spindle, the optimal stiffness index, and to verify the rationality of the design. Key words：roll grinder；grinding wheel spindle；analysis；modal analysis 中图分类号：TG596 文献标志码：A doi：10.3969/j.issn.1006-0316.2017.05.008 文章编号：1006－0316 (2017) 05－0026－03 收稿日期：2016－09－29 基金项目：铜仁市科技计划项目（铜市科研[2016]17号-8）；（铜仁职院院级课题TRZY[2016]107号） 作者简介：初光勇（1989－），山东聊城人，硕士，机电教研室主任，主要研究方向为机电一体化；朱昇（1990－），贵州凯里人，助教，汽修教研室主任，主要研究方向为汽车检测技术。 |
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为有限元节点的加速度；
为有限元节点的速度；{δ}为有限元节点的位移；[K]为刚度矩阵；
为激励向量。
