电主轴热态特性对轴承—转子系统动力学特性的影响研究

【摘要】：高速电主轴是实现高速加工的核心功能部件,它的动力学特性对加工精度、刀具和轴承寿命等有着重要的影响。然而,随着电主轴转速和功率的不断提高,发热问题已成为影响电主轴轴承-转子系统动力学性能的主要因素。本文以高速电主轴为研究对象,首先对其热态特性进行理论和试验研究,并推导了轴承内外圈及滚动体热位移计算公式。在此基础上,进行了计入内外圈及滚动体热位移影响的电主轴轴承动力特性以及轴承-转子系统动力学特性研究。本文的主要研究工作和获得的结论如下 1)基于传热学理论,应用有限元法分析了电主轴热稳定状态下的温度场分布及其影响因素,并通过试验加以验证。计算结果表明,在热稳定状态下,主轴、转子和前后轴承的温度较高,提高油水冷却系统和油气润滑系统的冷却效率,可有效控制轴承外圈的温升,但对轴承内圈、滚动体及主轴温升的影响很小。试验结果证明了电主轴热态特性有限元计算结果是正确的。 2)应用弹性力学理论,推导了角接触球轴承零件热位移计算公式。计算结果显示,轴承内圈沟道的径向热位移最大,外圈的热位移次之,滚动体的热位移最小 3)应用Hertz接触理论、滚动轴承动力学和沟道控制理论,建立了计入热位移影响的高速角接触球轴承基本方程,探讨了计入热位移影响的角接触球轴承动刚度等动力特性的数值计算方法,编写了相应程序,并结合具体算例加以分析,最后通过试验数据加以验证。计算结果表明,计入热位移影响时,高速条件下角接触球轴承内外接触角之问的差值明显减小,滚动体的离心力略有减小、陀螺力矩略有增大,滚动体与内外圈的接触变形、接触应力、接触载荷和接触椭圆参数等明显增大,滚动体与内圈的旋滚比明显减小,轴承寿命大幅缩短；内外圈及滚动体的热位移不仅补偿了轴承动态刚度在高速条件下的软化,而且使轴承刚度有了较大幅度的提高；轴承结构参数、过盈配合和预紧等不同时,热位移对轴承动态刚度的影响程度也不同。试验证明计入热位移影响时角接触球轴承动态刚度的计算值更加接近实际。 4)基于轴承-转子系统动力学理论,探讨了轴承-转子系统固有频率和不平衡响应的求解方法。结合具体算例,应用有限元法分析了热位移引起的轴承刚度变化对电主轴轴承-转子系统动力学特性影响。计算结果表明,计入轴承热位移的影响时,电主轴轴承-转子系统一阶固有频率有较大幅度的提高,而轴端不平衡响应位移有所减小；轴承热位移对轴承-转子系统一阶固有频率的影响随转速的增加而增大,而对轴端不平衡响应位移的影响随着转速的增加而减小；轴承预紧方式、支承跨距和转子结构参数等不同时,轴承热位移对轴承-转子系统动力学特性的影响程度也不同。 研究表明,在高速条件下,轴承热位移已成为影响轴承-转子系统动力学特性的主要因素,考虑其影响必将使电主轴动力学计算更加精确、更加符合实际。