【摘要】：高速電主軸是實(shí)現(xiàn)高速加工的核心功能部件,它的動(dòng)力學(xué)特性對(duì)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(wèn)題已成為影響電主軸軸承-轉(zhuǎn)子系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)性能的主要因素。本文以高速電主軸為研究對(duì)象,首先對(duì)其熱態(tài)特性進(jìn)行理論和試驗(yàn)研究,并推導(dǎo)了軸承內(nèi)外圈及滾動(dòng)體熱位移計(jì)算公式。在此基礎(chǔ)上,進(jìn)行了計(jì)入內(nèi)外圈及滾動(dòng)體熱位移影響的電主軸軸承動(dòng)力特性以及軸承-轉(zhuǎn)子系統(tǒng)動(dòng)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 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(chǎng)分布及其影響因素,并通過(guò)試驗(yàn)加以驗(yàn)證。計(jì)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(rùn)滑系統(tǒng)的冷卻效率,可有效控制軸承外圈的溫升,但對(duì)軸承內(nèi)圈、滾動(dòng)體及主軸溫升的影響很小。試驗(yàn)結(jié)果證明了電主軸熱態(tài)特性有限元計(jì)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(jì)算公式。計(jì)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(dòng)體的熱位移最小 3)應(yīng)用Hertz接觸理論、滾動(dòng)軸承動(dòng)力學(xué)和溝道控制理論,建立了計(jì)入熱位移影響的高速角接觸球軸承基本方程,探討了計(jì)入熱位移影響的角接觸球軸承動(dòng)剛度等動(dòng)力特性的數(shù)值計(jì)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(guò)試驗(yàn)數(shù)據(jù)加以驗(yàn)證。計(jì)算結(jié)果表明,計(jì)入熱位移影響時(shí),高速條件下角接觸球軸承內(nèi)外接觸角之問(wèn)的差值明顯減小,滾動(dòng)體的離心力略有減小、陀螺力矩略有增大,滾動(dòng)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(dòng)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(dòng)體的熱位移不僅補(bǔ)償了軸承動(dòng)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(guò)盈配合和預(yù)緊等不同時(shí),熱位移對(duì)軸承動(dòng)態(tài)剛度的影響程度也不同。試驗(yàn)證明計(jì)入熱位移影響時(shí)角接觸球軸承動(dòng)態(tài)剛度的計(jì)算值更加接近實(shí)際。 4)基于軸承-轉(zhuǎn)子系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)理論,探討了軸承-轉(zhuǎn)子系統(tǒng)固有頻率和不平衡響應(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(duì)電主軸軸承-轉(zhuǎn)子系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)特性影響。計(jì)算結(jié)果表明,計(jì)入軸承熱位移的影響時(shí),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(yīng)位移有所減小；軸承熱位移對(duì)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(duì)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(shí),軸承熱位移對(duì)軸承-轉(zhuǎn)子系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)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(dòng)力學(xué)特性的主要因素,考慮其影響必將使電主軸動(dòng)力學(xué)計(jì)算更加精確、更加符合實(shí)際。
【圖文】：

2.2高速電主軸熱態(tài)分析傳熱學(xué)基本理論2.2.1導(dǎo)熱微分方程根據(jù)能量守恒定律，導(dǎo)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(dǎo)熱固體內(nèi)取出一無(wú)限小的單元，進(jìn)行導(dǎo)熱分析，根據(jù)傅里葉定律可以得到固體導(dǎo)熱微分方程的一般形式為〔’。，〕盯口廠.湃、口r.盯、口廠.開、pcse萬(wàn)es=萬(wàn)一!K、二丁一}+二一!K、二丁一}+二一}K:二萬(wàn)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(dǎo)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(duì)稱結(jié)構(gòu)，具有熱傳導(dǎo)特性，該單元共有4各節(jié)點(diǎn)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)的自由度為溫度。用Solid70單元對(duì)電主軸進(jìn)行網(wǎng)格劃分，有限元計(jì)算模型如圖2一2。萬(wàn)萬(wàn)萬(wàn)侖△煙丫丫 …………………纂蒸 蒸 敘敘 ///通通 通 兇兇匕匕 匕 匕扒/}/護(hù)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(zhǎng)寬分別為gmm和6mm。3)油氣潤(rùn)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(shí)的熱態(tài)特性分析2.5.3.1高速電主軸溫度場(chǎng)分布電主軸在80oorPm轉(zhuǎn)速下運(yùn)行45min后達(dá)到熱穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)的溫度場(chǎng)分布圖2一3所示。由圖2一3可以見(jiàn):(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?yàn)殡娭鬏S轉(zhuǎn)子沒(méi)有有效地散熱途徑，散熱條件差
【學(xué)位授予單位】：蘭州理工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2009
【分類號(hào)】：TH133.3

【引證文獻(xiàn)】

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1 薛志嵩;高檔數(shù)控機(jī)床絲杠支承軸承熱特性分析及實(shí)驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)[D];南京理工大學(xué);2013年

本文編號(hào)：2633653