试析位移基于轴承热位移电主轴系统动态特性策略技巧

论文导读：
摘要：高速加工是代体现造业进展走势的一项新技术。高速机床是实现高速加工的装备基础。电主轴是高速机床的核心部件，其功能是带动刀具或工件高速旋转，实现高效精密加工。由于高速电主轴有轴承摩擦发热和电机损耗发热两大热源，使电主轴温升加剧，引起轴承预载荷的变化，以而影响轴承刚度、精度和寿命等。热变形不足已成为制约电主轴高速化的一大难题。由此针对高速电主轴热位移作用下动态性能的探讨已成为电主轴开发工作的迫切需求。本论文在浅析计算电主轴热平衡温度场及轴承热位移的基础上，建立了考虑轴承热位移的角接触球轴承拟动力学模型，提出了轴承动态热态特性探讨的数值策略。利用该模型及策略探讨了轴承热位移对轴承内部结构参数及刚度的影响规律。结果表明，在热位移作用下，使得滚动体与内外圈接触角越来越趋于初始接触角，轴承刚度增加。此规律定位预紧较定压预紧显著。在以上探讨基础上，进一步建立了基于Timoshenko梁论述的转轴模型，考虑轴承热位移的轴承刚度模型和HSK刀具系统模型，并构成统一的高速电主轴“主轴—轴承—刀具”系统的动态热态模型。针对模型特点，采取有限元法进行浅析。利用所建立的动态热态模型及有限元法探讨了国家高效磨削中心研制的功率30kW/24krpm加工中心电主轴，以及安阳莱必泰公司开发的功率10kW/30krpm高速内圆磨削电主轴的动态性能。浅析了电主轴系统的热平衡温度场、轴承热位移、轴承刚度及电主轴系统的固有频率和振型。结果表明，两款主轴的一阶临界转速都远高于最高转速，可避开共振，提升系统工作的稳定性。利用所建立的动态热态模型对不同预紧方式下，考虑轴承热位移时影响电主轴静动态特性的因素进行了探讨。结果表明，当轴承预紧力大和采取双“O”配置，以及主轴跨距、砂轮悬伸长度和砂轮质量小时，主轴系统的一阶临界转速高；当预紧力较小、主轴跨距较大，以及轴承采取双“X”、面对面和背对背配置时主轴系统的一阶临界转速受热位移的影响较大。相对于定压预紧，定位预紧将导致轴承摩擦力矩增大，以而使轴承温升显著增加，加剧轴承磨损，降低轴承利用寿命和回转精度，不适合高速。为适应高速化的工程实际运用需求，电主轴宜采取定压预紧。基于上面陈述的探讨，针对国家科学技术重大专项“高速高刚度大功率电主轴及驱动装置”中的50KW/20krpm和18KW/40krpm电主轴进行案例设计，并利用所建立的电主轴动态热态模型进行动态性能浅析。浅析表明，两款电主轴刚度及一阶临界转速符合技术要求，设计案例合理。为验证考虑轴承热位移的电主轴动态特性浅析策略的合理性。针对安阳莱必泰公司生产的功率10kW/30krpm高速内圆磨削电主轴进行实验探讨。结果表明，主轴轴端刚度、温升、固有频率的论述计算值与实验测量值较为吻合，以而验证了本论文所建模型及浅析计算策略的有效性。本论文的探讨工作为电主轴静动态性能浅析及结构设计优化提供了重要的论述依据和实现途径，具有论述浅析和工程设计参考价值。关键词：电主轴论文热平衡温度场论文轴承热位移论文预紧方式论文静动态特性论文
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Abstract7-12
插图索引12-15
附表索引15-16
第1章 绪论16-23

1.1 课题背景及探讨作用16-18

1.1 探讨背景16-17

1.2 探讨作用17-18

1.2 电主轴动态热态耦合特性探讨近况18-20

1.2.1 电主轴动态特性探讨近况18

1.2.2 电主轴热态特性探讨近况18-19

1.2.3 动态热态耦合特性19-20

1.3 电主轴动态热态耦合特性探讨策略20-22

1.3.1 传递矩阵法20-21

1.3.2 有限元法21

1.3.3 仿真软件的开发21-22

1.4 有着的不足22

1.5 本论文的探讨内容22-23

第2章 考虑热位移的角接触球轴承拟动力学建模23-36

2.1 引言23

2.2 考虑热位移的轴承拟动力学模型23-26

2.1 轴承内外套圈和滚动体变形的几何联系23-24

2.2 球滚动体的受力浅析24-25

2.3 轴承受力浅析25-26

2.3 电主轴轴承系统热平衡温度场的计算26-29

2.3.1 轴承发热量的计算26-27

2.3.2 建立电主轴热传递模型27-29

2.4 轴承热位移计算29-33

2.4.1 轴承零件径向热位移29-31

2.4.2 轴承零件轴向热位移31-33

2.5 考虑轴承热位移的拟动力学求解33-35

2.6 本章小结35-36

第3章 电主轴系统的动态热态动力学建模36-48

3.1 引言36

3.2 电主轴系统的动态热态动力学建模36-41

3.

2.1 转子系统动力学模型36-37

3论文导读：8-1006.4.3论述与实验结果比较浅析100-1016.5本章小结101-102第7章结论与展望102-1057.1论文总结102-1037.2工作展望103-105参考文献105-110致谢110-111附录A(攻读学位期间所发表的学术论文目录)111-112附录B(攻读学位期间所参加的科研项目)112-113附录C(攻读学位期间所获得的专利目录)113上一页1
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2.2 考虑热位移的轴承刚度模型37-39

3.

2.3 刀具模型39-41

3.

2.4 “主轴—轴承—刀具”系统动态热态模型41

3.3 模型特点及求解策略浅析41-46

3.1 单元刚度矩阵及总刚度矩阵的合成42-44

3.2 单元质量矩阵及总质量矩阵的合成44-45

3.3 方程求解浅析45-46

3.4 本章小结46-48

第4章 角接触球轴承动态热态特性探讨48-64

4.1 引言48-49

4.2 预紧力和转速对轴承温升的影响49-50

4.

2.1 预紧力对轴承温升的影响49-50

4.

2.2 转速对轴承温升的影响50

4.3 热平衡温度场的确定50-51

4.4 轴承热位移的计算51-52

4.5 热位移对轴承参数的影响52-62

4.5.1 内接触载荷52-53

4.5.2 外接触载荷53-55

4.5.3 内接触角55-56

4.5.4 外接触角56-57

4.5.5 径向刚度57-59

4.5.6 轴向刚度59-61

4.5.7 角刚度61

4.5.8 摩擦力矩61-62

4.6 本章小结62-64

第5章 基于电主轴系统动态热态模型的数值浅析及其运用64-94

5.1 引言64-65

5.2 考虑轴承热位移的电主轴动态性能计算65-71

5.

2.1 加工中心电主轴静动态性能浅析65-68

5.

2.2 磨削电主轴静动态性能浅析68-71

5.3 考虑轴承热位移的电主轴静动态特性影响因素浅析71-88
5.

3.1 轴承热位移71-75

5.

3.2 预紧力75-77

5.

3.3 轴承配置形式77-81

5.

3.4 主轴跨距81-84

5.

3.5 刀具参数的影响84-88

5.4 重大专项案例设计和结果浅析88-93
5.

4.1 50kW/20krpm 电主轴设计88-90

5.

4.2 18kW/40krpm 电主轴设计90-91

5.

4.3 两款电主轴最终设计案例校核91-93

5.5 本章小结93-94
第6章 电主轴系统动态热态特性浅析的实验探讨94-102

6.1 引言94

6.2 静刚度测试94-95

6.

2.1 实验原理和仪器94-95

6.

2.2 实验策略及结果95

6.

2.3 论述与实验结果比较浅析95

6.3 温升测试95-98
6.

3.1 实验原理和仪器95-96

6.

3.2 实验策略及结果96-97

6.

3.3 论述与实验结果比较浅析97-98

6.4 固有频率的测试98-101
6.

4.1 实验原理和仪器98

6.

4.2 实验策略及结果98-100

6.

4.3 论述与实验结果比较浅析100-101

6.5 本章小结101-102
第7章 结论与展望102-105

7.1 论文总结102-103

7.2 工作展望103-105

参考文献105-110
致谢110-111
附录 A (攻读学位期间所发表的学术论文目录)111-112
附录 B (攻读学位期间所参加的科研项目)112-113
附录 C (攻读学位期间所获得的专利目录)113