配合公差对角接触球轴承动态特性影响规律研究及参数优化

发布时间：2017-07-18 09:13

  本文关键词：配合公差对角接触球轴承动态特性影响规律研究及参数优化

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【摘要】：电主轴是机床的核心功能部件,其功能是带动刀具或工件旋转,实现高速精密加工,其动态特性很大程度上决定了机床的性能和技术水平。角接触球轴承作为电主轴的核心支撑部件,其公差配合、离心力变形、热变形、弹流润滑及结构参数等对电主轴动态特性具有重要影响,直接影响加工效率、精度和质量。目前在考虑上述综合因素影响的轴承动态特性分析研究尚不充分,有必要对角接触球轴承的配合公差及动态特性参数优化进行深入研究。建立了主轴与轴承内圈及外圈与轴承座之间过盈量计算的数学模型,推导了轴承配合过盈量与配合接触角的表达式。在进一步分析套圈变形及弹流润滑对轴承内部沟道曲率中心与滚动体中心几何位置关系影响的基础上,建立了计入套圈变形和弹流润滑影响的轴承拟静力学修正模型。运用Newton-Raphson法处理非线性方程组,对轴承静动态特性参数进行了分析求解。在此基础上,采用所建立的模型研究揭示了配合过盈量对角接触球轴承接触角、接触载荷、接触应力、旋滚比和动刚度的影响规律。详细探究了轴承在不同工作转速和预紧力条件下离心力变形、热变形和润滑油膜对动刚度的影响规律,克服了现有模型无法反映过盈量、套圈变形和弹流润滑对轴承动态特性影响的不足。开发了角接触球轴承结构参数及动态特性优化软件(登记号:2014SR108520)。通过与Gupta等典型算例对比,证实了所建模型及分析结果的有效性。借助所开发的软件系统研究了滚动体材料、球径、球数、接触角和沟曲率系数对轴承动态特性参数的影响规律,从提高轴承刚度和寿命角度提出了优化轴承材料及结构参数的具体途径。研究表明:在提高轴承速度、刚度性能和自润滑能力方面,陶瓷球比钢制球更为合适;适当减小球径并增加球数可以提高轴承承载能力;减小接触角可降低自旋和陀螺滑动;选用大内沟曲率系数和小外沟曲率系数可减少摩擦热、提高旋转速度。参与搭建了角接触球轴承电主轴实验台,利用62YGC1.0-60型高速精密雕铣机电主轴进行了实验研究。测试了角接触球轴承转子系统固有频率,结合锤击试验,验证了所建模型和分析计算方法的准确性。本文提出的计算模型及相关研究结果对轴承动态性能分析及动态特性参数优化设计具有重要的参考价值。
【关键词】：电主轴 角接触球轴承 过盈配合 套圈变形 弹流润滑 动态特性
【学位授予单位】：湖南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TG502.3
【目录】：

• 摘要5-6
• Abstract6-15
• 第1章 绪论15-24
• 1.1 课题背景及研究意义15-16
• 1.1.1 研究背景15
• 1.1.2 研究意义15-16
• 1.2 国内外发展及研究现状16-22
• 1.2.1 角接触球轴承力学分析研究16-18
• 1.2.2 角接触球轴承配合公差分析研究18-19
• 1.2.3 角接触球轴承结构参数及性能优化研究19-22
• 1.3 存在的问题22-23
• 1.4 研究的主要内容23-24
• 第2章 角接触球轴承配合公差拟静力学建模24-38
• 2.1 角接触球轴承静力学建模24-31
• 2.1.1 Hertz接触理论24-28
• 2.1.2 轴承游隙与接触角的几何关系28-29
• 2.1.3 过盈配合引起的径向游隙变化计算29-31
• 2.2 角接触球轴承的运动与受力分析31-33
• 2.2.1 轴承的运动分析31-32
• 2.2.2 轴承的受力与变形分析32-33
• 2.3 角接触球轴承配合公差拟静力学模型33-37
• 2.3.1 离心力引起的轴承配合特性建模33-34
• 2.3.2 温升引起的轴承配合特性建模34-37
• 2.3.3 载荷引起的轴承配合特性建模37
• 2.3.4 粗糙度引起的轴承配合特性建模37
• 2.4 本章小结37-38
• 第3章 考虑套圈变形及弹流润滑的角接触球轴承拟静力学建模38-51
• 3.1 位移协调方程38-39
• 3.2 考虑套圈离心变形的拟静力学修正模型39-42
• 3.2.1 基本物理方程39-40
• 3.2.2 考虑离心效应的转轴变形40
• 3.2.3 考虑离心效应的套圈变形40-41
• 3.2.4 考虑套圈离心变形建模41
• 3.2.5 考虑套圈离心变形的拟静力学求解41-42
• 3.3 考虑套圈热变形的拟静力学修正模型42-46
• 3.3.1 热源分析及热量计算42-43
• 3.3.2 热量分配43-44
• 3.3.3 套圈热变形计算44
• 3.3.4 考虑套圈热变形建模44-45
• 3.3.5 考虑套圈热变形的拟静力学求解45-46
• 3.4 计入弹流润滑考虑综合套圈变形的拟静力学修正模型46-49
• 3.4.1 弹流润滑油膜厚度46-47
• 3.4.2 弹流润滑油膜刚度47-48
• 3.4.3 考虑弹流润滑的轴承刚度计算48
• 3.4.4 计入弹流润滑考虑套圈变形建模48
• 3.4.5 计入弹流润滑考虑套圈变形的拟静力学求解48-49
• 3.5 本章小结49-51
• 第4章 过盈配合及套圈变形对轴承动态特性影响规律研究51-62
• 4.1 转速和预紧力对轴承配合过盈量的影响51-53
• 4.1.1 转速和预紧力对离心过盈量的影响52
• 4.1.2 转速和预紧力对温升过盈量的影响52-53
• 4.2 过盈配合量对轴承动态特性参数的影响53-56
• 4.2.1 内外圈接触角53
• 4.2.2 内外圈接触载荷53-54
• 4.2.3 内外圈最大接触应力54
• 4.2.4 内圈旋滚比54-55
• 4.2.5 径向刚度55
• 4.2.6 轴向刚度55-56
• 4.2.7 角刚度56
• 4.3 轴承弹流润滑油膜的影响分析56-58
• 4.3.1 转速对油膜厚度的影响56-57
• 4.3.2 预紧力对油膜厚度的影响57
• 4.3.3 转速和预紧力对润滑油膜刚度的影响57-58
• 4.3.4 接触载荷对油膜厚度及刚度的影响58
• 4.4 套圈变形及弹流润滑对轴承动刚度的影响58-60
• 4.4.1 径向刚度59
• 4.4.2 轴向刚度59-60
• 4.4.3 角刚度60
• 4.5 本章小结60-62
• 第5章 角接触球轴承结构参数及性能优化研究62-83
• 5.1 轴承内部结构参数对动态性能的影响分析62-69
• 5.1.1 滚动体材料63-64
• 5.1.2 滚动体尺寸64-65
• 5.1.3 滚动体数目65-66
• 5.1.4 初始接触角66-67
• 5.1.5 内沟道曲率系数67-68
• 5.1.6 外沟道曲率系数68-69
• 5.2 轴承寿命计算69-75
• 5.2.1 基于ISO理论的轴承基本额定寿命模型69-70
• 5.2.2 基于改进L-P理论的轴承寿命模型70-72
• 5.2.3 轴承寿命模型求解72
• 5.2.4 轴承寿命计算及对比分析72-75
• 5.3 轴承优化设计目标及仿真分析75-78
• 5.3.1 轴承疲劳寿命最长75-76
• 5.3.2 轴承磨损寿命最长76-77
• 5.3.3 轴承摩擦力矩最低77
• 5.3.4 轴承内圈旋滚比最小77
• 5.3.5 轴承径向额定静负荷最大77
• 5.3.6 轴承内部参数优化数据对比77-78
• 5.4 角接触球轴承动态性能及结构参数优化软件开发78-81
• 5.4.1 软件总体结构78
• 5.4.2 软件功能实现78-79
• 5.4.3 软件运行环境及特点79
• 5.4.4 软件操作界面及算例验证79-81
• 5.5 本章小结81-83
• 第6章 电主轴固有频率实验验证研究83-88
• 6.1 实验目的和内容83
• 6.2 实验原理和方案83-84
• 6.3 实验仪器与步骤84-86
• 6.3.1 实验仪器84-85
• 6.3.2 实验步骤85-86
• 6.4 实验结果分析86-87
• 6.4.1 静态固有频率测试结果对比分析86
• 6.4.2 动态固有频率测试结果对比分析86-87
• 6.5 本章小结87-88
• 结论88-90
• 参考文献90-94
• 致谢94-95
• 附录A（攻读硕士学位期间所发表的学术论文）95-96
• 附录B（攻读硕士学位期间所参加的科研项目）96-97
• 附录C（攻读硕士学位期间所获得的软件著作权）97

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前10条

1 曹宏瑞;李亚敏;何正嘉;朱永生;;高速滚动轴承-转子系统时变轴承刚度及振动响应分析[J];机械工程学报;2014年15期

2 陈小安;刘俊峰;合烨;张朋;单文桃;;高速电主轴热态性能及其影响[J];机械工程学报;2013年11期

3 朱益利;金超武;许磊;徐龙祥;;滚珠轴承力学模型的数值求解方法研究[J];中国机械工程;2013年04期

4 曹宏瑞;李兵;陈雪峰;何正嘉;;高速主轴离心膨胀及对轴承动态特性的影响[J];机械工程学报;2012年19期

5 芮执元;王志强;周亚敏;;热变形对电主轴电机转子与主轴过盈配合的影响[J];机械与电子;2011年07期

6 邓四二;李兴林;汪久根;滕弘飞;;角接触球轴承摩擦力矩特性研究[J];机械工程学报;2011年05期

7 熊万里;李芳芳;纪宗辉;吕浪;;滚动轴承电主轴系统动力学研究综述[J];制造技术与机床;2010年03期

8 顾景江;崔昭霞;李喜梅;张勤霞;;电主轴与转子过盈配合量的设计与校核[J];机械工程与自动化;2008年04期

9 王黎钦;崔立;郑德志;古乐;;航空发动机高速球轴承动态特性分析[J];航空学报;2007年06期

10 陈连;;过盈联接的模糊可靠性分析与仿真研究[J];机械强度;2007年01期

中国博士学位论文全文数据库 前3条

1 刘秀海;高速滚动轴承动力学分析模型与保持架动态性能研究[D];大连理工大学;2011年

2 赵联春;球轴承振动的研究[D];浙江大学;2003年

3 蒋兴奇;主轴轴承热特性及对速度和动力学性能影响的研究[D];浙江大学;2001年

中国硕士学位论文全文数据库 前1条

1 李芳芳;基于轴承热位移的电主轴系统动态特性分析方法研究[D];湖南大学;2011年

，

本文编号：556988