【摘要】：為了研究機(jī)床主軸系統(tǒng)非均勻溫升帶來(lái)的熱位移對(duì)軸承預(yù)緊力和動(dòng)剛度的影響,建立了一種機(jī)床主軸系統(tǒng)熱機(jī)耦合模型。在分析軸承摩擦損耗影響因素的基礎(chǔ)上,確定了系統(tǒng)熱載荷和邊界條件,采用有限元方法求解了機(jī)床主軸瞬時(shí)溫升和熱變形,根據(jù)軸承載荷-位移關(guān)系式求解軸承的熱誘導(dǎo)預(yù)緊力,基于改進(jìn)的Jones模型計(jì)算了軸承徑向剛度。最后,實(shí)驗(yàn)測(cè)定軸承預(yù)緊力,分析預(yù)緊力影響因素。理論計(jì)算與實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:在定位預(yù)緊下,主軸、隔圈、軸承座和軸承熱位移會(huì)導(dǎo)致軸承預(yù)緊力和徑向剛度的增加,且隨著初始預(yù)緊力、轉(zhuǎn)速和環(huán)境溫度增加,預(yù)緊力變化幅值也增加。此外,局部冷卻引起熱位移的變化,從而改變軸承預(yù)緊力和徑向剛度的變化規(guī)律。
【圖文】：

ｉｎθ１－Ｂ（ｄ＋Δｄ）ｓｉｎθ（１１）δ１＝Ｂｄｃｏｓθｃｏｓθ１－（）１（１２）式中：Ｐｄ為軸承初始間隙；Ｆｃ為初始預(yù)緊力；ＦＴ為熱誘導(dǎo)預(yù)緊力；Ｚ為滾珠個(gè)數(shù)；Ｋ為軸向位移常數(shù)；ΔＲ、Δｄ、Δｒ?yàn)闇厣鸬某叽缱兓�；δｒ�(yàn)檩S承內(nèi)外圈相對(duì)熱位移。１．３軸承徑向剛度計(jì)算基于Ｊｏｎｅｓ提出的理論模型［１０］，考慮溫升引起滾珠直徑、內(nèi)外滾道溝底直徑和預(yù)緊量的變化，建立角接觸球軸承的零件幾何關(guān)系如圖２所示。圖２機(jī)床主軸軸承內(nèi)部幾何關(guān)系假定軸承內(nèi)外滾道曲率半徑未發(fā)生變化，軸承變形幾何相容方程為［（ｆｉ＋ｆｏ－１）（ｄ＋Δｄ）ｓｉｎθ＋δ１＋δｒ＋ａＲｉｃｏｓ鐖ｊ－Ｘｊ］２＋［（ｆｉ＋ｆｏ－１）（ｄ＋Δｄ）ｓｉｎθ＋δｒｃｏｓψｊ＋ΔＲ－Δｒ］２＝［（ｆｉ－０．５）（ｄ＋Δｄ）＋δｉｊ］（１３）Ｘ２ｊ＋Ｙ２ｊ＝［（ｆｏ－０．５）（ｄ＋Δｄ）＋δｏｊ］２（１４）式中：ｆｉ、ｆｏ為內(nèi)、外溝道曲率半徑系數(shù)；Ｒ為曲率中心球半徑，Ｒ＝０．５Ｄｍ＋ΔＲ＋Δｒ＋（ｆｉ－０．５）（ｄ＋Δｄ）ｃｏｓθ（１５）ψｊ為滾珠方位角；δｉｊ、δｏｊ為滾珠與內(nèi)外滾道接觸趨近；Ｘｊ、Ｙｊ為滾珠平衡時(shí)的水平與垂直距離；Ａａｊ、Ａｒｊ為滾珠與內(nèi)外滾道接觸點(diǎn)的水平與垂直距離；θ１、θ２為滾珠與內(nèi)外滾道接觸角�；诟倪M(jìn)后的Ｊｏｎｅｓ模型，應(yīng)用Ｎｅｗｔｏｎ－Ｒａｐ

Ｆｒ?yàn)閺较蜉d荷；δ為徑向變形。１．４熱邊界參數(shù)的確定機(jī)床主軸與冷卻系統(tǒng)、周圍空氣進(jìn)行熱量交換，，其主要熱邊界條件如表１所示。表１熱邊界條件邊界條件換熱系數(shù)Ｎｕ電機(jī)氣隙換熱Ｎｕλ／Ｄ０．２３（δ／ｒ）０．２３Ｒｅ０．５冷卻水換熱Ｎｕλ／Ｄ１．８６×（ＲｅｆＰｒｆＤ／Ｌ）１／３旋轉(zhuǎn)表面換熱ｃ０＋ｃ１ｕｃ２無(wú)需計(jì)算靜止表面換熱９．７無(wú)需計(jì)算２機(jī)床主軸熱機(jī)耦合分析流程機(jī)床主軸熱機(jī)耦合分析流程如圖３所示。當(dāng)不考慮熱誘導(dǎo)預(yù)緊力和溫度變化時(shí)，根據(jù)式（１）～式（６）求解軸承損耗。結(jié)合內(nèi)置電機(jī)損耗及散熱邊界條件，應(yīng)用有限元方法迭代求解機(jī)床主軸關(guān)鍵熱位移。根據(jù)熱位移修正軸承載荷－變形關(guān)系式和軸承幾何相容方程，計(jì)算熱誘導(dǎo)預(yù)緊力，求解改進(jìn)后的Ｊｏｎｅｓ模型，獲得軸承運(yùn)行參數(shù)，求導(dǎo)計(jì)算軸承徑向剛度。根據(jù)主軸系統(tǒng)熱響應(yīng)和熱誘導(dǎo)預(yù)緊力對(duì)模型進(jìn)行修正，如此反復(fù)，直到機(jī)床主軸溫升值、熱位移以及軸承方程解滿足收斂要求后停止。圖３機(jī)床主軸熱機(jī)耦合分析流程３機(jī)床主軸熱機(jī)耦合分析相對(duì)于傳統(tǒng)機(jī)械主軸，電主軸的電機(jī)通常安裝于內(nèi)部，電機(jī)和軸承處安裝有循環(huán)冷卻系統(tǒng)，其發(fā)熱、傳熱和散熱等規(guī)律更為復(fù)雜。以具體電主軸為例，考慮軸承配置、冷卻和預(yù)緊方式的影響，建立電主軸熱機(jī)耦合模型，分析溫升、預(yù)緊力和軸承剛度的影響因素和變化規(guī)律。應(yīng)用高精密功率分析儀測(cè)試電主軸不同轉(zhuǎn)速下空載損耗、電壓和電流，結(jié)果如表２所示，３者均隨著１１３

【參考文獻(xiàn)】

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【共引文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2563090