基于磁流變裝置的高速電主軸動態(tài)加載系統(tǒng)研究

第一作者李培明男，碩士生，1990年生

通信作者陳小安男，博士，教授，博士生導師，1956年生

基于磁流變裝置的高速電主軸動態(tài)加載系統(tǒng)研究

李培明，陳小安，合燁

(重慶大學機械傳動國家重點實驗室，重慶400044)

摘要：為有效預測高速電主軸的壽命并評價其精度保持性，需要對高速狀態(tài)下的電主軸進行動態(tài)加載測試。應用磁流變液對電主軸進行動態(tài)加載并進行加載性能測試。介紹該加載系統(tǒng)的構成與原理，并通過電磁仿真與實驗，獲取力矩-電流、力矩-時間變化規(guī)律，探討高速下磁流變液的剪切模型，并對原始公式予以修正。理論計算與實驗結果表明修正模型及分析流程具有一定精度，說明磁流變液的粘度和剪切屈服應力會隨轉速、電流的改變而變化，也驗證該加載系統(tǒng)的正確性和可行性，為高速電主軸的動態(tài)加載性能研究提出了一種全新的方法。

關鍵詞：高速電主軸；磁流變液；動態(tài)加載實驗

基金項目：國家自然科學基金項目(51475054) 國家自然科學基金(51279101, 51490674)；西南石油大學“過學術關”基金(201499010114)；中央財政支持地方特色重點學科青年基金項目(YC319)

收稿日期：2014-05-20修改稿收到日期：2014-08-22

中圖分類號:TH113

文獻標志碼：A

DOI:10.13465/j.cnki.jvs.2015.17.001

Abstract:To effectively predict the life of a high speed motorized spindle and assess its precision retaining ability, dynamic loading tests should be done for the spindle with high speed. Due to the motorized spindle with high speed, loading tests are very hard to carry out. Here, dynamic loading tests for the spindle were proposed using magnetorheological fluid(MRF). The structure and loading principle of the loading system were described. Through electromagnetic simulations and tests, the current versus torque rule and the current versus time rule were obtained. The shear stress model of MRF under high speed was studied and the original formula was modified. The theoretical calculations and test results indicated that the proposed model is capable of accurately predicting the torque; the viscosity and shear yield stress of MRF vary with speed and current. The correctness and feasibility of this loading system were verified, and a new method for the dynamic loading tests of high speed motorized spindles was proposed.

Dynamic loading tests of a high speed motorized spindle with magnetorheological fluid

LIPei-ming,CHENXiao-an,HEYe(State Key Laboratory of Mechanical Transmission, Chongqing University, Chongqing 400044, China)

Key words:high speed motorized spindle; MRF; dynamic loading test

高速電主軸作為實現(xiàn)高速加工的裝備基礎[1]，其性能尤其是動態(tài)性能直接影響高速加工的精度和生產(chǎn)。特別是加工過程中出現(xiàn)的較大振動，會使刀具出現(xiàn)劇烈的磨耗甚至破損,降低電主軸的壽命和精度[2]。因此對高速電主軸的動態(tài)性能測試刻不容緩。

目前對電主軸動態(tài)性能的研究主要以建仿真、有限元分析為主。由于電主軸的結構特點以及高轉速，對其進行動態(tài)測試一直是研究難點，方法也多集中于空載運行，但空載條件無法反映主軸實際工況下的運行狀況，需對其進行動態(tài)加載。Cao等[3]，以及Yeo等[4]利用切削法對磨削用電主軸進行實驗研究，實驗轉速分別為15000r/min和19000r/min，但是切削法力矩小，且需配合專門刀具；孟杰[5]采用測功機對拖方式進行加載，實驗轉速15000r/min，但是結構復雜，成本大。另外還有轉矩轉速儀法和傳動方式減速后進行加載等方法。以上均為機械接觸式加載方式，速度上限受到很大約束。

作為一種智能材料，磁流變液得到了廣泛的應用。Kavlicoglu等[6]研制的雙圓盤式大轉矩磁流變液離合器，實驗轉速120r/min；鄭軍等[7]開發(fā)的一種圓柱式磁流變液傳動裝置，實驗轉速190r/min，均利用了磁流變液的剪切模型理論[8]實現(xiàn)力矩傳遞。但是對于磁流變液的研究多集中于低速狀態(tài)，鮮有對其高速時的性質(zhì)進行討論。

本文將利用磁流變液的剪切模型理論，首次將其應用于高速電主軸的動態(tài)加載實驗中，并利用電磁仿真與實驗，解決高速電主軸動態(tài)加載的問題，并探討高速時磁流變液的剪切模型。

1磁流變液加載系統(tǒng)原理及計算

1.1本構關系

磁流變液是由微米級的可磁化顆粒均勻分散在無磁性母液和添加劑中所形成的特殊懸浮體系，其流變性質(zhì)隨磁場迅速改變[9]。

無外加磁場時，可認為是NEWTON流體，滿足

(1)

在外加磁場時，磁性顆粒沿磁場方向排成鏈狀結構，表現(xiàn)出非NEWTON流體特性。由于電主軸轉速高、剪切率大，磁性顆粒受離心力影響會被甩向四周，另外，發(fā)熱量大，溫升高，都使得其屈服應力極限降低。磁流變液在高速工況下使用時會出現(xiàn)剪切稀化現(xiàn)象，故采用Herschel-bulkley模型[10]。

(2)

(3)

1.2力矩計算

如圖1所示，1為電主軸；2為加載圓盤，安裝在主軸前端；3為磁流變液腔；5為勵磁線圈，工作時通入直流電流，形成穩(wěn)衡磁場。工作時，腔3內(nèi)磁流變液發(fā)生相變，從而使圓盤受到加載力矩。

腔3內(nèi)距離轉軸中心r處，磁流變液的剪應變率

(4)

圓盤所受力矩為

(5)

1.3磁流變加載系統(tǒng)基本結構

所研制的磁流變液加載系統(tǒng)的結構框圖如圖2。工作時，通過計算機輸出變頻器控制信號，使電主軸按照預定頻率轉動。啟動線圈控制電源，按照預定加載方式輸出電流，使腔內(nèi)產(chǎn)生磁場并形成加載力矩。同時，將扭矩傳感器和溫度傳感器的信號回饋計算機顯示，以達到監(jiān)測和記錄的目的。

圖2　磁流變液加載裝置的基本結構框圖 Fig.2 Structure diagram of MRF loading system

2磁路分析

忽略漏磁影響，為進行裝置的磁路分析，需對其進行簡化，并據(jù)此建立磁路的有限元模型。簡化磁路結構如圖1所示。本磁路主要由外殼4、圓盤2和磁流變液工作間隙3組成，外殼與圓盤均為純鐵制造。勵磁線圈5產(chǎn)生磁勢，為典型的串聯(lián)磁路，如圖3。

圖3　等效磁路圖 Fig.3 Equivalent magnetic circuit

整個磁路的總磁阻為

(6)

采用Maxwell有限元軟件對磁路進行仿真。由于本裝置磁路為對稱結構，且純鐵磁導率大大超過其他材料，因此利用二維結構進行建模，采用通量平行邊界，即磁力線無漏的通過磁路結構且平行于邊界[11]。

圖4　磁力線和磁感應強度分布圖 Fig.4 Model of magnetic flux lines and flux density

當線圈電流為1A時，加載裝置的磁力線和磁感應強度分布如圖4。由圖可以得到，磁力線全部分布在模型內(nèi)，且全部穿過磁流變液。外殼的左右壁和外壁磁感應強度最大，最先達到飽和。最后，提取腔內(nèi)磁場數(shù)據(jù)，根據(jù)式(2)聯(lián)合Matlab進行力矩計算。

3實驗

3.1實驗準備

根據(jù)上述分析，本文設計的高速電主軸-磁流變液加載裝置見圖5。本實驗選擇重慶材料研究院生產(chǎn)的型號為MRF-J01T的磁流變液，實驗電主軸為自主設計，額定轉速24000r/min。

圖5　磁流變液加載裝置圖 Fig.5 MRF loading system

由于本裝置為消耗型加載裝置，吸收的功率全部轉換成熱量被磁流變液吸收，溫升較大。而磁流變液的性質(zhì)受溫度影響較大，所以需要添加專門的冷卻機構，并利用溫度傳感器對主軸電機、軸承，以及加載器進行溫度監(jiān)測。

由于電主軸轉速高，殘余不平衡質(zhì)量在高速工況下引起主軸的振動較大。為減小該振動對實驗造成的影響，保證實驗的準確性，在主軸安裝加載圓盤后需重新做動平衡，并使圓盤的徑向跳動與端面跳動保持在5μm以內(nèi)。另外，也通過渦流傳感器監(jiān)測電主軸的振動。

3.2電流-力矩特性。

根據(jù)仿真與實驗結果，繪制出不同轉速下加載力矩與電流的關系圖，如圖6～圖10。

從實驗數(shù)據(jù)中可以得到，不同轉速下的力矩曲線大致滿足磁流變液的基本性質(zhì)，即表現(xiàn)為三個階段：緩慢增長期，快速增長期，飽和期。零電流時，液腔內(nèi)磁場強度為0，磁流變液表現(xiàn)為NEWTON流體性質(zhì)，由于液體的粘性阻力，圓盤所受力矩較小。隨著電流增大，磁場強度變大，使得流變液剪切屈服應力增大，圓盤所受的阻力力矩也增大，并最終在電流為1.1A時趨于飽和。

圖6 3000r/min下力矩-電流曲線Fig.6Torque-currentcurvesat3000r/min圖7 6000r/min下力矩-電流曲線Fig.7Torque-currentcurvesat6000r/min圖8 9000r/min下力矩-電流曲線Fig.8Torque-currentcurvesat9000r/min

不考慮轉速的影響，根據(jù)磁流變液低剪切率下的粘度與剪切屈服應力繪制出電流-力矩曲線，即未修正曲線。對比未修正曲線與實驗曲線，不難發(fā)現(xiàn)，電流為0時，隨著轉速的升高，相差越大，表明磁流變液的零場粘度隨著轉速升高而下降。另外，實驗曲線中零場力矩保持在0.1N·m到0.13N·m之間，基本不變，根據(jù)式(2),可以得到零場粘度與轉速呈反比關系。隨著電流增大，力矩有了進一步的衰減，反映了高速時，材料的剪切屈服應力也有減小。

由此，對磁流變液的零場粘度和剪切屈服應力進行修正，使得零場粘度與轉速呈反比，剪切屈服應力隨速度正比例下降，重新獲得仿真曲線，即修正曲線。從圖中可以看出，當電流小于0.9A時，修正曲線與實驗曲線幾乎吻合。但是當電流大于0.9A時，修正曲線略高，也說明了磁流變液的剪切屈服應力和轉速呈非線性關系，轉速越高，由磁場形成的鏈狀結構越不穩(wěn)定。

因此，對式(2)進行修改

(7)

3.3力矩-時間特性

實驗過程中，將轉速升到預定轉速，通過控制線圈電流，使力矩達到預定大小，記錄100s內(nèi)力矩與時間的關系，如圖11～14。

由圖強得到轉速在15000r/min～21000r/min之間時，當力矩加載到1N·m后，有小幅波動，并隨轉速升高而變大。當轉速24000r/min、力矩0.75N·m時，也存在小幅振蕩。但是，波動幅值均小于0.05N·m，可認為力矩大小穩(wěn)定，從而也說明了利用磁流變液對電主軸進行高速加載，力矩穩(wěn)定，可持續(xù)時間長。

圖9 12000r/min下力矩-電流曲線Fig.9Torque-currentcurvesat12000r/min圖10 15000r/min下力矩-電流曲線Fig.10Torque-currentcurvesat15000r/min圖11 15000r/min下力矩-時間曲線Fig.11Torque-timecurveat15000r/min

圖12 18000r/min下力矩-時間曲線Fig.12Torque-timecurveat18000r/min圖13 21000r/min下力矩-時間曲線Fig.13Torque-timecurveat21000r/min圖14 24000r/min下力矩-時間曲線Fig.14Torque-timecurveat24000r/min

3.4壽命試驗

在大剪切率下，受離心力和磁性顆粒磨損的影響，磁流變液流變效應降低。本文開展一定時間的壽命試驗。在不同轉速下，注入磁流變液，測量其初始電流-力矩曲線，并保持1N·m連續(xù)運轉3min。待充分冷卻后，保持力矩1N·m重復運行5次，最后再次測量電流-力矩曲線。對比兩次實驗數(shù)據(jù)，見圖15至圖19。

由圖不難得到，當轉速相對較低(3000r/min、6000r/min、9000r/min)時，兩組曲線幾乎一致，即表明了多次實驗后磁流變液仍能保持初始的性質(zhì)。當轉速升高到12000r/min、15000r/min時，力矩有了不同程度的減小，并且轉速越高，減小程度越大，說明了在高速、大剪切率狀態(tài)下使用時，磁流變液損耗較大。

圖15 3000r/min下力矩-電流曲線Fig.15Torque-currentcurvesat3000r/min圖16 6000r/min下力矩-電流曲線Fig.16Torque-currentcurvesat6000r/min圖17 9000r/min下力矩-電流曲線Fig.17Torque-currentcurvesat9000r/min

圖18　12000r/min下力矩-電流曲線 Fig.18 Torque-current curves at 12000r/min

圖19　15000r/min下力矩-電流曲線 Fig.19 Torque-current curves at 15000r/min

4結論

本文設計了一款高速電主軸動態(tài)加載測試系統(tǒng)，實現(xiàn)了電主軸的動態(tài)加載并對加載性能進行了加載性能測試，通過仿真與實驗得出了以下結論：

(1)利用磁流變液實現(xiàn)電主軸動態(tài)加載是可行且有效的。通過調(diào)節(jié)線圈電流的大小，可實現(xiàn)不同力矩形式的加載，并且加載力矩穩(wěn)定，可持續(xù)時間長。

(2)得到高速工況下磁流變液的修正模型。由此也說明了磁流變液剪切屈服應力和粘度的大小與磁場強度、轉速有關。高速工況時，磁流變液的粘度與轉速呈反比關系，表現(xiàn)為零場力矩不變的現(xiàn)象；剪切屈服應力與轉速呈非線性變化關系。

(3)高速工況會導致磁流變液流變效應降低，為保證測試準確性，在對高速電主軸進行動態(tài)加載測試時應經(jīng)常更換磁流變液。

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