Аналіз динамічної стійкості високошвидкісного шпинделя на газостатичних підшипниках

Abstract

Представлено розроблену методику та результати обчислювальних комп'ютерних експериментів з дослідження динамічної стійкості високошвидкісного шпинделя верстата шліфування. Питання забезпечення динамічної стійкості високошвидкісних шпинделів на газостатичних підшипниках має важливе значення для забезпечення їхньої працездатності та надійності. Це зумовлено, по-перше, щодо малої стійкістю опор даного типу виникнення коливальних процесів, а по-друге, необхідністю наближатися чи проходити резонансні критичні області під час роботи на високих частотах обертання. Запропонована методика полягає в застосуванні обчислювальних комп'ютерних експериментів для попереднього розрахунку характеристик газостатичних опор, визначенні власних частот коливань і найбільш небезпечних резонансних областей функціонування шпинделя на основі розроблених 3D-моделі шпинделя і його динамічної моделі, моделюванні динамічних навантажень валу шпинделя при дії динамічних навантажень з визначенням величин амплітуд коливань, дослідженні умов, за яких зберігається динамічна стійкість та працездатність шпинделя. Відповідно до методики в САЕ програмах було визначено власні частоти коливань ротора 5 гармонік, найбільш небезпечними з яких є 2 та 3 гармоніки. За рахунок введеної тарованої неврівноваженості змодельовані динамічні навантаження, що призводять до поперечних коливань при обертанні ротора. Обчислювальними комп'ютерними експериментами досліджено стійкість шпинделевого ротора при дії динамічних навантажень через чисельне визначення амплітуд коливань у всьому діапазоні частот обертання, включаючи резонансні області. Визначено допустимий залишковий дисбаланс ротора, параметри та режими функціонування шпинделя, при яких зберігається його динамічна стійкість та працездатність. Отримані результати дозволяють при розробці та експлуатації шпинделя досліджувати та забезпечити динамічну стійкість його ротора на газостатичних підшипниках при встановлюваних та перехідних високошвидкісних режимах функціонування, виникненні резонансу. The developed methodology and results of computational experiments to study the dynamic stability of a high-speed grinding machine spindle are presented. The issue of ensuring the dynamic stability of high-speed spindles on gas-static bearings is of fundamental importance to ensure their performance and reliability. This is due, firstly, to the relatively low resistance of supports of this type to the occurrence of oscillatory processes, and secondly, to the need to approach or pass resonant critical areas when operating at high rotation frequencies. The proposed methodology consists of using computational computer experiments for preliminary calculation of the characteristics of gas-static supports, determining the natural frequencies of oscillations and the most dangerous resonant areas of the spindle operation based on the developed 3D model of the spindle and its dynamic model, modeling dynamic loads by introducing calibrated imbalance, and performing experiments on virtual acceleration spindle shaft under the action of dynamic loads with determination of vibration amplitudes, study of conditions under which the dynamic stability and performance of the spindle is maintained. In accordance with the methodology in the CAE programs, the natural frequencies of rotor oscillations of 5 harmonics were determined, the most dangerous of which are the 2nd and 3rd harmonics. Due to the introduced calibrated imbalance, dynamic loads leading to transverse vibrations during rotor rotation were simulated. Computational computer experiments have been used to study the stability of the spindle rotor under the action of dynamic loads through the numerical determination of vibration amplitudes over the entire range of rotational speeds, including resonant regions. The permissible residual imbalance of the rotor, parameters and operating modes of the spindle, under which its dynamic stability and performance are maintained, have been determined. The results obtained make it possible, during the development and operation of a spindle, to study and ensure the dynamic stability of its rotor on gas-static bearings under steady-state and transient high-speed operating modes and the occurrence of resonance.