高速滾珠主軸之流體黏滯阻尼抑振技術
摘要:阻尼抑振模組經常被使用在機械設備中作為減少振動的手段。阻尼抑振模組性能受到許多因素影響,包括:長度、直徑、徑向間隙、供油壓力、供油及排油機構、軸端密封、流體慣性、氣穴等。因此本文為詳述阻尼單元之規劃設計,內容包括:阻尼抑振模組簡介、阻尼抑振模組型式、阻尼抑振模組設計流程與計算、高速滾珠主軸阻尼抑振模組之開發,建立具阻尼抑振技術之高速主軸。
Abstract:Damping and vibration suppression modules are frequently used in mechanical equipment as a means to reduce vibrations. The performance of these modules is influenced by many factors, including length, diameter, radial clearance, oil supply pressure, oil supply and discharge mechanisms, shaft end seals, fluid inertia, and cavitation. Therefore, this article details the planning and design of damping units, including an introduction to damping and vibration suppression modules, types of damping and vibration suppression modules, the design process and calculations of these modules, and high-speed spindles with damping and vibration suppression modules, with the aim of establishing high-speed spindles with damping and vibration suppression technology.
關鍵詞:流體黏滯阻尼、共振頻率、流體慣量效應
Keywords:Hydroviscous damping, Resonance frequency, Fluid inertia effects
前言
阻尼抑振模組被使用在機械設備中作為減少通過共振頻率時之振動。最早是由美國陸軍應用於直升機的傳動軸上,因為傳動軸較大且細長,若沒有足夠的軸承支撐,傳動軸旋轉時將會通過數個橫向的共振頻率;為了減少支撐軸承數量,因此安裝阻尼抑制模組,在滾珠軸承外環設計同心金屬環,在金屬環與傳動軸的徑向間隙注入液壓油做為阻尼;利用調整液壓油壓力與轉速而改變阻尼比,使得每個共振頻率均能達到最佳的阻尼比。缺點是加裝隨轉速改變阻尼比的阻尼抑振模組,直升機體積會變得很大,如果要減小體積,可以調高液壓油壓力,但是傳動軸與金屬環之阻尼間隙,容易產生氣穴(Cavication)現象,影響阻尼比控制。
在航空之應用上,於發動機傳動軸之軸承座結構間設計類似液動壓軸承之薄膜(Squeeze film)阻尼器,以有效抑制傳動軸與引擎結構產生之共振;之後薄膜阻尼器具體應用於飛機引擎的軸流式壓縮機,被視為飛機引擎的重要零件。就算沒有安裝薄膜阻尼器,也會在滾動軸承外環和軸承座間,設計可以含油的間隙,做為減少共振振動的阻尼。
在工具機之應用,GMN公司開發配備油壓阻尼模組的高速主軸,此油壓阻尼可使主軸轉速在通過共振頻率時之振幅降低了65%,軸向動態剛性提高了多達135%[1]。工件可以在高切削深度下持續加工,從而提高材料去除率與加工效率。因為油壓阻尼模組亦可降低在所有轉速下的振動振幅,使得加工表面精度都有所改善,這對鏜銑精加工和磨削更是重要。
阻尼抑振模組之型式
1.彈簧式阻尼
無中心定位彈簧是最簡單的阻尼型式[2],利用彈簧吊住軸承外環,當心軸轉動後,若產生振動,彈簧模組則利用彈簧的上下浮動抑制振幅,但是浮動量會受到彈簧線圈摩擦力的影響,不易產生阻尼效果;彈簧式阻尼通常為低速、振幅大且軸承剛性高的應用。
2.O型環式阻尼
O型環阻尼式[2] 的原理是利用O型環之線徑壓縮量(約0.1~0.2 mm)吸收徑向振動,優點包括:構造簡單、製造加工方便、所需徑向空間小,也可同時做為密封元件,防止液壓洩漏;由於O型環材質易受到環境溫度、振動頻率、及壽命的影響產生老化,使O型環隨使用時間增加,阻尼效果變差,其潛變(creep)的特性更易導致非線性的行為;另外O型環無法承受軸向力,會讓定心的功能打折。
O型環阻尼通常應用於高速、高壓離心式壓縮機,將O型環和油動壓軸承串聯使用,降低旋轉不平衡引發的同步振動問題。
3.油壓式阻尼
在滾珠軸承外環所固定之浮動軸承座與軸承座間所形成之阻尼間隙,以供油系統持續供給流動之液壓油,利用液壓油的黏性、壓力與流量形成阻尼,如油壓式阻尼之組成如圖1。
圖1 油壓式阻尼之組成
阻尼抑振模組設計之計算
1.阻尼抑振模組之設計
阻尼抑振模組的設計,主要為克服在共振頻率處不平衡量引發的振動,或者次同步不穩定(Subsynchronous instability)現象,利用轉子動力模擬程式,計算出阻尼比與剛性。首先進行旋轉主軸的設計,決定主軸與軸上零件的尺寸、材料與主軸軸承的支撐位置,以振動分析得知主軸系統之共振頻率、振型與不同阻尼比狀況下之動剛性,根據主軸動剛性分析結果決定適當的阻尼比與剛性;因為阻尼抑振模組、密封元件和軸承是串聯排列的狀況,系統實際之阻尼比與剛性都會較分析值小,因此會避免將主軸振動時之節點落在軸承處,讓阻尼抑振模組產生效果。
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