预紧力对轴承接触状态及电主轴回转性能的影响

高速电主轴角接触球轴承的性能由转速、支承刚度、旋转精度和摩擦生热等因素决定,这些因素都直接关系到轴承在轴向预紧力作用下的接触特性。研究了轴承滚动体与滚道在轴向预紧力变化下的接触特性。提出了一种利用开尔文四线法测定轴承不同轴向预紧力下接触电阻的新方法。结果表明,随着轴承轴向预紧力的增大,接触电阻呈非线性减小。对于角接触球轴承,当轴向预紧力大于一定值时,接触电阻趋向平稳,形成"L"型曲线。进一步研究了轴向预紧力对背靠背角接触球轴承对作为大型电主轴一端支撑的旋转精度的影响。研究表明,轴承外圈径向跳动随着轴向预紧载荷的增大呈现"降-升-降"的波动趋势,反映了径向游隙变化以及背对背轴承对隔离挡圈平行度误差对轴承外圈姿态变化的综合影响。本研究为角接触球轴承作为小型电主轴和大型电主轴的支撑进行轴向预紧时预紧载荷的优化提供了技术支撑。     

高速角接触球轴承油气润滑温升特性研究

油气润滑系统广泛应用于高速滚动轴承,油气润滑条件下轴承温升特性与温度场分布是影响轴承极限转速与动态工作稳定性的重要因素.基于高速滚动轴承摩擦学与两相流理论,以角接触球轴承为研究对象,建立了油气润滑条件下轴承与流体域之间的流固耦合模型.利用流体仿真软件Fluent对油气润滑条件下高速角接触球轴承与流体之间的传热方式及温度场分布进行了数值模拟分析,得到了轴承与轴承腔体的温度场分布.并进一步研究了供油量、润滑油粘度、轴承转速和载荷对轴承温升的影响,得到了油气润滑参数等与轴承温度场热平衡之间的关系.结果 表明:轴承转速与径向载荷是影响高速滚动轴承生热量与温升的主要因素,轴承内部温度场分布不均匀,对于特定工况存在最佳供油量与润滑油黏度使轴承温升最小.     

考虑热诱导载荷和摩擦生热交互影响的高速角接触球轴承温度场分析

高速电主轴角接触球轴承内部的摩擦会使轴承温度升高,进而影响主轴的使用性能。为精确分析高速角接触球轴承的温度场,提出了一种考虑热诱导载荷和摩擦生热交互影响的轴承温度场分析方法。首先建立考虑差动滑动、自旋滑动、载荷以及润滑油黏性引起的摩擦的总摩擦生热量计算模型和热诱导载荷计算模型,然后分析两者之间的交互影响,最终基于有限元分析软件得到轴承稳态温度场,结果表明：稳态时轴承最高温度在球与内圈接触区域,球与外圈的接触区域温度较低;考虑热诱导载荷时差动滑动、自旋滑动以及载荷引起的摩擦生热量大于未考虑热诱导载荷,润滑油黏性引起的摩擦生热量无变化;考虑热诱导载荷时球与内圈的接触力及温升大于未考虑热诱导载荷。     

多因素对电主轴热态特性的影响

为了精确表征电主轴运转过程中的热态特性,综合考虑热诱导预紧力与黏温效应的影响,建立了新的轴承生热动态模型,在热边界条件引入接触热阻的基础上,采用有限元方法得到主轴系统稳态温度场分布,并分析了主要因素对电主轴热态特性的影响。计算结果表明:接触热阻的存在使主轴系统整体温度梯度增加,比没有考虑接触热阻时的温升高;温升引起的热变形,不仅生成了热诱导预紧力而且增加了轴承的温升;为了降低轴承产热,低转速下应选用高粘度润滑油,低转速下应选用高粘度润滑油。     

考虑接触参数与摩擦生热交互影响的高速角接触球轴承温升预测研究

为精确预测高速角接触球轴承在实际工况下的温升,通过对角接触球轴承的生热机理分析,提出一种考虑接触参数与摩擦生热交互影响的高速角接触球轴承温升预测方法.利用Abaqus有限元软件脚本接口技术,自主编制Python脚本程序,实时提取受载的角接触轴承的接触参数为初始量,计算轴承摩擦生热量,将其作为时变热载荷,加载至有限元模型上,求解在径向载荷和转速作用下的高速角接触球轴承温升,得到接触参数、摩擦生热量、温升之间的相互影响关系,最后采用轴承温升实验对数值模拟结果进行验证.结果表明:考虑接触参数与摩擦生热交互影响下的高速角接触球轴承温升预测方法更符合实际工况.     

高速电主轴温度场分布研究

以加工中心高速电主轴单元为研究对象,分析电机的损耗发热和轴承的摩擦发热两个主要热源,计算了热源的生热率和电主轴各部分之间的对流换热系数。运用ANSYS有限元软件建立了电主轴温度场瞬态和稳态模型,以对流换热系数为边界条件、生热率为载荷进行分析,得出该电主轴的稳态温度场分布以及轴承的瞬态温升曲线。最后提出改善电主轴温升的有效措施,为电主轴的温升控制提供理论依据。     

角接触球轴承的温升及润滑脂性能试验

为研究脂润滑角接触球轴承温升的影响因素以及润滑脂在轴承运转中的老化过程,对7008C角接触球轴承进行了温升试验,分析了轴向预紧力、转速、室温对轴承温升的影响,并测试了不同转速、运转时间、轴向预紧力下润滑脂表观黏度及红外光谱的变化。结果表明:在一定的轴向预紧力下,轴承温升随轴向预紧力的增加呈先增加后减小再增加的趋势,轴向预紧力对润滑脂表观黏度的影响本质是对轴承温升的影响;轴承温升随着转速和室温的增加而升高,轴承内润滑脂表观黏度降低,说明润滑脂的皂纤维结构已经发生变化;随着轴承运转时间的延长,轴承内润滑脂表观黏度逐渐降低、屈服应力下降;经过长时间运转,润滑脂由于分油,颜色明显加深;短时间内,即使在高速和大轴向预紧力作用下润滑脂也没有发生化学结构的变化。     

考虑结构约束时油气润滑高速角接触球轴承的温升特性

针对角接触球轴承生热和热传递机理研究中存在的冷却/润滑系统影响考虑不充分,轴承很少考虑特定的结构约束等问题,考虑高速主轴工作时结构约束,轴承的结构特性,冷却/润滑等气/液特性对热传导、换热和散热特性的影响,研究油气条件下高速角接触球轴承的温升特性。基于广义Ohm定律建立高速角接触球轴承热网格模型,采用Gauss-Seidel法进行节点温度计算。该模型可预测高速角接触球轴承温度场中任一点温度,并通过试验验证了所建模型的合理性。     

高速内圆磨削电主轴动态性能试验及分析

针对内圆磨削电主轴高转速高精度低温升的需求,设计了一款高速内圆磨削电主轴,通过建立考虑轴承圆度误差与谐波次数的电主轴有限元模型计算电主轴动态精度与动态特性,确定最佳轴承预紧力与轴承跨距。采用局部法计算轴承损耗发热,基于移动热源法结合有限元方法建立高速球轴承的热分析模型,分析了轴承在预紧条件下的轴承温升,验证了轴承预紧力的正确性。最后通过轴承振动试验验证了电主轴动态热态性能模型的可靠性。     

角接触球轴承高速运转时热特性有限元分析

针对角接触球轴承在高速运转时因温度过高而导致失效的问题,对其热特性进行了研究。在研究中,建立角接触球轴承的有限元模型,应用热力学理论计算轴承的生热率和对流换热系数,进行热特性有限元分析,得到角接触球轴承在2000 r/min转速时的温度场。所做研究为通过润滑冷却系统控制角接触球轴承温升提供了技术参考。     

角接触球轴承油膜热阻及传热影响研究

角接触球轴承广泛应用于电主轴等高速轴系,研究角接触球轴承的润滑油膜热阻计算方法以及接触油膜热阻对轴承温度场分布的影响,对于改善角接触球轴承的工作条件和提高电主轴等轴系的运行稳定性有重要的意义。运用平板模型,分析计算了角接触球轴承的油膜热阻,探讨了影响油膜热阻的主要因素;采用有限元方法分析了角接触球轴承的温度场,研究了接触油膜热阻对轴承温度场分布的影响。结果表明:轴承转速、载荷和润滑油的动力粘度对油膜热阻有较大影响,接触油膜热阻对轴承的散热和温度场分布影响很大。     

陶瓷球轴承接触角和预紧力对高速磨削电主轴静刚度的影响

陶瓷球轴承作为电主轴的核心部件,其结构参数对电主轴的静刚度有着重要的影响。基于角接触球轴承径向刚度计算公式,通过仿真分析研究了接触角和预紧力对电主轴静刚度的影响。通过建立的主轴-轴承系统三维有限元模型,仿真获得了不同接触角和预紧力下主轴前端径向变形及主轴静刚度,进而根据有限元仿真结果拟合得到了主轴静刚度关于接触角和预紧力的拟合方程及拟合曲线。     

基于热网络法的电主轴热结构耦合计算

为了更准确地对电主轴系统进行温度场的预测,建立了综合考虑接触热阻、轴承热变形和气隙变化等因素影响的热网络模型和热结构耦合热网络瞬态温度平衡方程(简称热平衡方程)。首先计算了接触热阻、轴承热变形、电机的定子与转子由于热变形导致的气隙变化以及电机与轴承的生热;然后选择电主轴主要部件作为温度节点,建立了电主轴系统的热网络模型及热平衡方程;最终通过MATLAB软件编程进行热平衡方程的求解,得到电主轴各主要部件的瞬态温度变化情况,通过不断更新接触热阻、轴承生热和电机生热等热特性参数,对电主轴进行温度和结构变形的耦合计算。计算结果表明:在达到平衡状态前,电主轴运转的时间越长,轴承的温度越高,轴承生热功率越低;电机温度随对流换热系数增高而降低;考虑热特性参数变化的热计算所得到的结果更加准确。通过与相同条件下的热结构耦合仿真结果进行对比表明,该热网络瞬态温度模型(热网络模型)可以正确预测温度场分布。     

预紧高速角接触球轴承动力学特性分析

以弹性力学理论、滚动轴承动力学分析理论和沟道控制理论为基础,建立了预紧高速角接触球轴承的动力学方程,采用Newton-Raphson迭代法进行求解,对预紧高速角接触球轴承的动力特性进行分析。实例表明:随着预紧力的增加,内接触角减小而外接触角增大,球的离心力、陀螺力矩和旋滚比减小,球与内、外圈的接触变形、接触应力、接触载荷及轴承刚度增大;定压预紧轴承动力特性参数受预紧力变化的影响较大,而定位预紧轴承的接触变形、接触应力、接触载荷及刚度等动力特性参数值较大。     

角接触球轴承温升有限元分析

角接触球轴承由于其极限转速高、摩擦力矩小等优点成为高速电主轴的主要支撑方式。然而摩擦引起的温度成为影响角接触球轴承的使用寿命和性能的主要因素。利用传热学、摩擦学理论分析了角接触球轴承工作状态下的发热机理和传热特点,同时通过Workbench软件建模求解出温度场并对求解结果进行分析,发现轴承转速对轴承内圈、外圈和滚动体温升的影响。采用灰关联度分析对温度和转速的影响关联度,结果表明转速对轴承温升的具有一定的影响,为优化高速角接触球轴承的结构优化设计提供了理论参考。     

变压预紧电主轴热位移预测模型研究

为解决高速电主轴在变速过程中产生的热位移引起加工质量的问题,通过搭建变压预紧电主轴实验平台,提出一种不同预紧力下电主轴自然降速实验方法,基于能量守恒理论建立轴承摩擦生热模型,构建预紧力与轴承发热量的函数关系;在此基础上,进一步探究轴承温升导致主轴产生热位移的影响规律。分别以预紧力为1 450、1 550和1 700 N工况下,电主轴的轴承温度数据和时间作为输入,构建电主轴BP神经网络热位移预测模型。结果表明,构建的热位移预测模型能有效地预测电主轴的热位移,预测模型的残差在0.5μm以内,研究成果为高精密机床主轴热误差智能补偿提供一种新思路。     

高速电主轴支承刚度计算及模态分析

以某型号数控磨床用高速电主轴为研究对象,基于滚动轴承静力学推导了高速电主轴常用支承—角接触球轴承计及预紧接触角变化的径向刚度和多联组配轴向刚度计算公式,结果显示该计算公式比现有文献中相关计算更准确,讨论了轴向预紧力对支承刚度的影响规律。在得到支承刚度的基础上,在ANSYS中采用弹簧单元COMBIN14模拟主轴轴承支承,基于ANSYS对主轴部件进行了不同轴向预紧力和不同转速下的模态分析,讨论了转速和轴向预紧力对电主轴模态的影响。     

高速精密角接触球轴承的热分析与验证

从理论上分析了高速精密角接触球轴承的运动特性和发热机理,并以H7014C/HQ1型高速精密角接触球轴承为试验对象,在不同的转速、轴向预紧力和润滑油量下进行了试验。结果表明:转速对轴承温升的影响最显著;同时给出了最佳预紧力和最佳润滑油油量的参考值。     

基于双尺度调控的电主轴轴承预紧力优化方法

为研究复杂工况条件下运行激励引起高速电主轴轴承动力学变化对轴承预紧力的影响过程,建立了一种适用于全功能高变速域的高速电主轴角接触轴承预紧力、速度和疲劳寿命耦合优化模型.提出基于轴承疲劳寿命尺度和可靠性度尺度综合控制的轴承预紧力优化方法,构建考虑滚动体滑动、自旋转、陀螺运动的轴承动力学分析方法,研究轴承预紧力与轴承运行状态的动态定量映射关系,以高速电主轴运行过程中轴承疲劳寿命为优化目标,通过可靠性影响因子和疲劳寿命影响因子的双尺度调控,实现轴承预紧力动态优化分析.分析表明:速度激励条件下可通过预紧力动态优化来实现轴承动力学特性动态控制,采用疲劳寿命尺度和可靠度尺度综合调控,可实现轴承预紧力动态定量优化.     

角接触球轴承传热机理及其对高速电主轴性能的影响分析

在传热学的基础上,建立了接触区等效热阻的角接触球轴承传热模型,并用离散热节点的方法建立热阻网络模型,提出了根据热能量守恒建立热节点微分方程对节点温度进行预测的方法,采用有限元法对电主轴及其轴承温度场进行仿真,并探讨了电主轴转速对轴承接触区等效热阻的影响,以及等效热阻对电主轴温度场分布的影响。结果表明:轴承接触区等效热阻对电主轴温度场分布有较大影响,电主轴转速越高,轴承接触区等效热阻越大,轴承组件中的热梯度越大,在高速精密电主轴热设计中接触区等效热阻不可忽视。