電主軸熱態(tài)特性對軸承-轉(zhuǎn)子系統(tǒng)動力學(xué)特性的影響研究.pdf

1、高速電主軸是實現(xiàn)高速加工的核心功能部件,它的動力學(xué)特性對加工精度、刀具和軸承壽命等有著重要的影響。然而,隨著電主軸轉(zhuǎn)速和功率的不斷提高,發(fā)熱問題已成為影響電主軸軸承-轉(zhuǎn)子系統(tǒng)動力學(xué)性能的主要因素。本文以高速電主軸為研究對象,首先對其熱態(tài)特性進(jìn)行理論和試驗研究,并推導(dǎo)了軸承內(nèi)外圈及滾動體熱位移計算公式。在此基礎(chǔ)上,進(jìn)行了計入內(nèi)外圈及滾動體熱位移影響的電主軸軸承動力特性以及軸承-轉(zhuǎn)子系統(tǒng)動力學(xué)特性研究。本文的主要研究工作和獲得的結(jié)論如下:<

2、br>　　 1)基于傳熱學(xué)理論,應(yīng)用有限元法分析了電主軸熱穩(wěn)定狀態(tài)下的溫度場分布及其影響岡素,并通過試驗加以驗證。計算結(jié)果表明,在熱穩(wěn)定狀態(tài)下,主軸、轉(zhuǎn)子和前后軸承的溫度較高,提高油水冷卻系統(tǒng)和油氣潤滑系統(tǒng)的冷卻效率,可有效控制軸承外圈的溫升,但對軸承內(nèi)圈、滾動體及主軸溫升的影響很小。試驗結(jié)果證明了電主軸熱態(tài)特性有限元計算結(jié)果是正確的。
　　 2)應(yīng)用彈性力學(xué)理論,推導(dǎo)了角接觸球軸承零件熱位移計算公式。計算結(jié)果顯示,軸承內(nèi)圈溝

3、道的徑向熱位移最大,外圈的熱位移次之,滾動體的熱位移最小。
　　 3)應(yīng)用Hertz接觸理論、滾動軸承動力學(xué)和溝道控制理論,建立了計入熱位移影響的高速角接觸球軸承基本方程,探討了計入熱位移影響的角接觸球軸承動剛度等動力特性的數(shù)值計算方法,編寫了相應(yīng)程序,并結(jié)合具體算例加以分析,最后通過試驗數(shù)據(jù)加以驗證。計算結(jié)果表明,計入熱位移影響時,高速條件下角接觸球軸承內(nèi)外接觸角之間的差值明顯減小,滾動體的離心力略有減小、陀螺力矩略有增大,滾

4、動體與內(nèi)外圈的接觸變形、接觸應(yīng)力、接觸載荷和接觸橢圓參數(shù)等明顯增大,滾動體與內(nèi)圈的旋滾比明顯減小,軸承壽命大幅縮短;內(nèi)外圈及滾動體的熱位移不僅補(bǔ)償了軸承動態(tài)剛度在高速條件下的軟化,而且使軸承剛度有了較大幅度的提高;軸承結(jié)構(gòu)參數(shù)、過盈配合和預(yù)緊等不同時,熱位移對軸承動態(tài)剛度的影響程度也不同。試驗證明計入熱位移影響時角接觸球軸承動態(tài)剛度的計算值更加接近實際。
　　 4)基于軸承-轉(zhuǎn)子系統(tǒng)動力學(xué)理論,探討了軸承-轉(zhuǎn)子系統(tǒng)固有頻率和不平

5、衡響應(yīng)的求解方法。結(jié)合具體算例,應(yīng)用有限元法分析了熱位移引起的軸承剛度變化對電主軸軸承-轉(zhuǎn)子系統(tǒng)動力學(xué)特性影響。計算結(jié)果表明,計入軸承熱位移的影響時,電主軸軸承-轉(zhuǎn)子系統(tǒng)—階固有頻率有較大幅度的提高,而軸端不平衡響應(yīng)位移有所減小;軸承熱位移對軸承-轉(zhuǎn)子系統(tǒng)—階固有頻率的影響隨轉(zhuǎn)速的增加而增大,而對軸端不平衡響應(yīng)位移的影響隨著轉(zhuǎn)速的增加而減小;軸承預(yù)緊方式、支承跨距和轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)參數(shù)等不同時,軸承熱位移對軸承-轉(zhuǎn)子系統(tǒng)動力學(xué)特性的影響程度也不