張祥雷， 馮偉， 陳站， 李睿

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

0 引言

主軸系統(tǒng)作為數(shù)控機(jī)床的心臟部件，其動(dòng)靜態(tài)特性直接關(guān)系到機(jī)床的加工性能［1］。主軸振動(dòng)試驗(yàn)是在不同轉(zhuǎn)速下測(cè)量主軸的振動(dòng)量，包括振動(dòng)位移、速度、加速度的幅值和相位、振動(dòng)的時(shí)間歷程、頻率等。通過主軸振動(dòng)試驗(yàn)，可以找到主軸在使用過程中可能發(fā)生的共振點(diǎn)，或者主軸振動(dòng)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(shí)驗(yàn)平臺(tái)

本文在液體靜壓軸承的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)（圖1）上對(duì)不同轉(zhuǎn)速下主軸的振動(dòng)進(jìn)行測(cè)量，并測(cè)量主軸在每個(gè)指定速度保持運(yùn)轉(zhuǎn)間隔15 min的主軸溫升和振動(dòng)值，研究溫升對(duì)主軸振動(dòng)的影響。

圖2 傳感器布置圖

1 主軸振動(dòng)試驗(yàn)

本次試驗(yàn)使用激光位移傳感器檢測(cè)主軸的X方向（水平）和Y方向（豎直）振動(dòng)值，如圖2所示。由于實(shí)測(cè)主軸已經(jīng)裝配于主軸箱體中，無法直接檢測(cè)主軸前后軸承的振動(dòng)情況，所以試驗(yàn)的第三個(gè)激光位移傳感器的測(cè)點(diǎn)布置在主軸箱的前軸承安裝部位，因?yàn)樵擖c(diǎn)的振動(dòng)最能反映前軸承的振動(dòng)。根據(jù)主軸試驗(yàn)平臺(tái)與機(jī)床的實(shí)際轉(zhuǎn)速限制，對(duì)液體靜壓軸承主軸的轉(zhuǎn)速試驗(yàn)范圍設(shè)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(gè)轉(zhuǎn)速穩(wěn)定10 s后增速。測(cè)試數(shù)據(jù)通過與激光位移傳感器相配套的LK-Navigator2軟件進(jìn)行采集。振動(dòng)試驗(yàn)總共進(jìn)行了3組，將3組試驗(yàn)的振動(dòng)振幅數(shù)據(jù)提取后建立與轉(zhuǎn)速對(duì)應(yīng)的曲線，如圖3所示。

圖3 主軸轉(zhuǎn)速與振動(dòng)曲線

由圖3的主軸振動(dòng)數(shù)據(jù)可以得出以下結(jié)論：

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

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

3）Y方向的振動(dòng)值大于X方向的振動(dòng)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(shí)上試驗(yàn)的主軸恰是側(cè)面固定于試驗(yàn)平臺(tái)的安裝架上。

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

2 主軸溫升試驗(yàn)

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

圖4 溫升試驗(yàn)過程中主軸轉(zhuǎn)速與振動(dòng)曲線

3 溫升對(duì)主軸振動(dòng)影響的分析

比較圖3與圖4可以看出，溫升試驗(yàn)過程中主軸的振動(dòng)相比振動(dòng)測(cè)試振幅總體上減小了1～2滋m，是溫升導(dǎo)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(huì)增加。主軸發(fā)生大振動(dòng)的轉(zhuǎn)速區(qū)域也發(fā)生了變化，低速區(qū)大振動(dòng)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(dòng)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(jié)束振動(dòng)過大現(xiàn)象。

4 結(jié)語

本文針對(duì)液體靜壓軸承的主軸進(jìn)行了振動(dòng)試驗(yàn)和溫升試驗(yàn)，分別研究了主軸在不同轉(zhuǎn)速下的振動(dòng)情況和溫升對(duì)振動(dòng)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(qiáng)，低速區(qū)的大振動(dòng)區(qū)域變小，高速區(qū)的大振動(dòng)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(dòng)。另一方面，由于實(shí)驗(yàn)主軸對(duì)油液沒有進(jìn)行冷卻，主軸在試驗(yàn)結(jié)束時(shí)油溫接近限定值，若長(zhǎng)期使用主軸，需要對(duì)油液安裝一個(gè)溫度報(bào)警器。

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