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计入热效应的高速电主轴圆锥动静压轴承润滑性能研究

武宁宁  
【摘要】:高速精密电主轴采用滑动轴承作为支撑零件时,轴承油膜的润滑性能直接影响主轴系统的可靠性和使用寿命。高速电主轴工作时,摩擦功耗造成润滑油温度急剧升高,黏度随之降低,轴承油膜不均匀分布的温度场和黏度场会影响润滑性能,甚至引起油膜破裂和转子系统失稳。因此高速电主轴温升已经成为制约其性能的主要因素。本文以电主轴中具有深浅腔的圆锥动静压轴承为研究对象,探讨热效应对轴承油膜特性及转子系统稳定性参数的影响,主要研究内容和结果如下:首先基于层流润滑理论,建立了控制圆锥动静压轴承油膜压力分布、温度分布的Reynolds方程、能量方程、温黏关系式及相应的边界条件,在此基础上采用有限元法和有限差分法离散控制方程组,计算得到不同工况下高速圆锥动静压轴承的压力分布、温度分布及静态、动态特性参数,分析了计入热效应时保证润滑油膜不破裂的最小油膜厚度。计算结果与等温模型结果进行对比表明:主轴转速越高,油膜温升越大;热效应使得轴承油膜承载力减小,端泄流量增大,偏位角变大;最小油膜厚度减小。其次在静平衡计算基础上,将电主轴简化为单质量刚性对称轴承-转子系统,建立计入热效应的系统动力学方程,采用Routh-Hurwitz准则推导并得到了系统的界限涡动比、失稳转速等稳定性参数并与等温状态进行了对比。结果表明:计入热效应后,锥轴承油膜主刚度、主阻尼均减小,且转速越高,其减幅越大;临界质量减小,失稳转速在偏心率为0.6时,减幅高达50.5%;热效应使系统稳定性降低。热效应对高速精密电主轴性能影响非常显著,本文为高速电主轴的设计提供了参考。


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