【摘要】：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)特性進行理論和試驗研究,并推導了軸承內(nèi)外圈及滾動體熱位移計算公式。在此基礎上,進行了計入內(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)動力學特性研究。本文的主要研究工作和獲得的結(jié)論如下 1)基于傳熱學理論,應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因素,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)應用彈性力學理論,推導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)應用Hertz接觸理論、滾動軸承動力學和溝道控制理論,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)外接觸角之問的差值明顯減小,滾動體的離心力略有減小、陀螺力矩略有增大,滾動體與內(nèi)外圈的接觸變形、接觸應力、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)動力學理論,探討了軸承-轉(zhuǎn)子系統(tǒng)固有頻率和不平衡響應的求解方法。結(jié)合具體算例,應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)一階固有頻率有較大幅度的提高,而軸端不平衡響應位移有所減小；軸承熱位移對軸承-轉(zhuǎn)子系統(tǒng)一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位移的影響隨著轉(zhuǎn)速的增加而減��；軸承預緊方式、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)動力學特性的影響程度也不同。 研究表明,在高速條件下,軸承熱位移已成為影響軸承-轉(zhuǎn)子系統(tǒng)動力學特性的主要因素,考慮其影響必將使電主軸動力學計算更加精確、更加符合實際。
【圖文】：

2.2高速電主軸熱態(tài)分析傳熱學基本理論2.2.1導熱微分方程根據(jù)能量守恒定律，導熱固體內(nèi)任一微元體是瞬態(tài)熱平衡的。如圖2一l所示，，從導熱固體內(nèi)取出一無限小的單元，進行導熱分析，根據(jù)傅里葉定律可以得到固體導熱微分方程的一般形式為〔’。，〕盯口廠.湃、口r.盯、口廠.開、pcse萬es=萬一!K、二丁一}+二一!K、二丁一}+二一}K:二萬一!+pQ成口X又血少即又辦少虎又虎夕(2一1)式r戶T=T(x，y，z，t)一一導熱體的溫度

單元solid70，solid70結(jié)構(gòu)單元適用于三維空間平面或軸對稱結(jié)構(gòu)，具有熱傳導特性，該單元共有4各節(jié)點，每個節(jié)點的自由度為溫度。用Solid70單元對電主軸進行網(wǎng)格劃分，有限元計算模型如圖2一2。萬萬萬侖△煙丫丫 …………………纂蒸 蒸 敘敘 ///通通 通 兇兇匕匕 匕 匕扒/}/護V咭產(chǎn)}八八八夕廠V勺、入夕 !!!圖2一2高速電主軸熱態(tài)特性分析幾何模型2.5.2邊界條件處理1)電主軸的轉(zhuǎn)速范圍 :10~16kr/min，在恒功率范圍之內(nèi)，功率損耗為3kw。2)油一水冷卻系統(tǒng)的入水口溫度不n一25oc，出水口溫度Toot列5℃，矩形槽截面長寬分別為gmm和6mm。3)油氣潤滑系統(tǒng)的壓縮空氣壓力為0.4Pa，溫度為25℃。4)環(huán)境溫度為25℃。2.5.3高速電主軸恒轉(zhuǎn)速條件時的熱態(tài)特性分析2.5.3.1高速電主軸溫度場分布電主軸在80oorPm轉(zhuǎn)速下運行45min后達到熱穩(wěn)定狀態(tài)時的溫度場分布圖2一3所示。由圖2一3可以見:(1)主軸和轉(zhuǎn)子的溫度最高，而定子的溫度較低。主軸和轉(zhuǎn)子的溫度約為993℃，定子的溫度約為30℃。這是因為電主軸轉(zhuǎn)子沒有有效地散熱途徑，散熱條件差
【學位授予單位】：蘭州理工大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2009
【分類號】：TH133.3

【引證文獻】

相關碩士學位論文 前1條

1 薛志嵩;高檔數(shù)控機床絲杠支承軸承熱特性分析及實驗裝置設計[D];南京理工大學;2013年

本文編號：2633653