高速角接触陶瓷球轴承与钢球轴承动力学特性对比分析

在15万转／分的转速范围内，对角接触陶瓷球轴承及钢球轴承的接触角、接触应力、内圈位移、旋滚比和刚度的变化特性进行了全面的对比分析。根据滚动轴承分析理论建立了数学模型并采用数值方法求解。分析结果表明：在研究的转速范围内，以上各性能参数均呈现显著的非线性变化特征，其变化特性与转速和滚珠材料类型密切相关；在轴向外载作用下，轴承内圈沿轴向移动，随转速升高，轴向移动量先小幅降低而后急剧增大；轴承径向刚度及轴向刚度值也是先下降而后上升，且变化范围较大。陶瓷球混合轴承几乎在所有的性能参数均明显优于传统的钢球轴承。与传统钢球轴承相比，其接触应力和内圈移动量明显降低、接触角变化较小、轴向与径向刚度变化程度相对较低、动态特性相对稳定，从而具有传统钢球轴承无可比拟的优越性。     

高速角接触球轴承动力学特性参数分析

根据滚动轴承的分析理论,在100000r/min的转速范围内,对角接触球轴承的接触应力、接触角、旋滚比及刚度的变化特性进行了全面分析。分析结果表明:各性能参数均呈现显著的非线性变化特征;随转速升高,轴承径向刚度及轴向刚度值也是先下降后上升,且变化范围较大;陶瓷球混合轴承几乎在所有的性能参数对比上均明显优于传统的钢球轴承,与传统钢球轴承相比,其接触应力明显降低、接触角变化较小、轴向与径向刚度变化程度相对较低、动态特性相对稳定,从而具有传统钢球轴承无可比拟的优越性。     

高速角接触球轴承动力学特性参数分析

介绍了球的动力学平衡方程和轴承整体受力平衡方程的建立,根据滚动轴承的拟动力学分析理论,对角接触球轴承的接触力、接触角、旋滚比等的变化特性进行了分析.结果表明,各性能参数均呈现显著的非线性变化特征,与传统的钢球轴承相比,陶瓷球轴承的性能参数优于传统的钢球轴承,动态特性参数的分布规律也相对稳定.     

一种考虑润滑效应的角接触球轴承接触刚度计算方法

建立了润滑工况下的高速角接触球轴承动力学模型,在滚珠与内/外圈的接触变形和接触刚度计算中,考虑高速转动中润滑油卷吸作用和挤压效应的影响,通过接触角和接触刚度的耦合迭代,得到考虑润滑效应的高速角接触球轴承轴向及径向刚度计算方法.结果表明,考虑润滑效应后,滚珠与内/外圈的接触角减小,轴承轴向/径向刚度增大;轴向载荷增加使轴向/径向刚度增大,且轴向载荷愈低,滑油作用愈明显;径向载荷增加使轴向刚度增大,径向刚度减小;滚珠数增加使轴向/径向刚度增大,且滑油作用更明显;相较4019型,4106型润滑油使轴承轴向/径向刚度增大;陶瓷滚珠轴承轴向/径向刚度比钢滚珠轴承大,且与转速呈近似线性关系.     

角接触球轴承动刚度的影响因素分析

基于拟静力学建立角接触球轴承受力平衡方程,对轴承动刚度进行数值求解。并以某角接触球轴承为研究对象,分析轴承转速、球材料对轴承动刚度的影响,结果表明:随转速增大,轴承轴向和径向刚度先减小后趋于稳定;球材料变化时,轴承轴向和径向刚度随转速的变化曲线也随之改变,但总体趋势相同。     

成对角接触球轴承动刚度分析

为分析成对安装角接触球轴承的刚度特性,建立了角接触球轴承拟静力学分析模型。通过求解成对轴承的非线性方程组,计算成对轴承刚度矩阵。并以成对安装的7210C角接触球轴承为研究对象,分析在2种安装布局下转速、径向力、轴向力、预紧力对成对轴承刚度的影响,结果表明:2种安装布局下成对轴承轴向和径向刚度随转速增大而减小,背靠背安装时成对轴承角刚度远大于面对面安装时的角刚度;背靠背安装时成对轴承刚度随径向力增大而先减小后增大,面对面安装时成对轴承径向和轴向刚度随径向力增大而减小,角刚度逐渐增大;背靠背安装时成对轴承刚度随轴向力增大而先减小后增大,面对面安装时成对轴承径向刚度随轴向力增大而减小,轴向刚度先减小后增大,角刚度逐渐增大;2种安装布局下成对轴承刚度随预紧力增大而增大。     

角接触球轴承刚度研究

针对角接触球轴承的接触角、轴向力以及轴承刚度之间的关系问题,通过对轴承建立静力平衡方程,对具有不同接触角(其它参数相同)的轴承进行刚度研究。研究表明:在相同轴向力作用下,轴承自由接触角越大,其轴向刚度越大,但轴向位移、径向刚度以及刚度比值(径向刚度/轴向刚度)都越来越小;在相同接触角情况下,轴向力越大,其轴向位移、轴向刚度和径向刚度都越来越大,但其刚度比值会越来越小。     

角接触球轴承静态刚度试验

角接触球轴承在径向、轴向以及力矩方向联合载荷作用下,内外圈将产生径向、轴向相对位移及相对倾角。这种弹性相对位移量的大小关系到轴承的使用性能。为了得到角接触球轴承静刚度,提出了角接触球轴承静刚度的测试方法。设计了测量装置,获取施加不同载荷作用下角接触球轴承的静刚度。分析结果表明:随着轴向载荷或径向载荷的增大,轴向变形或径向变形基本上呈现线性增长,轴向刚度和径向刚度呈现非线性增长;随着轴承尺寸的增大,轴承的静态刚度也增大。     

超高速角接触陶瓷球轴承球径对性能的影响规律及其参数优化

建立了超高速角接触混合陶瓷球轴承计算模型,同时给出了旋滚比及轴向刚度的计算公式.根据高速角接触球轴承球径的约束条件,分析了在不同转速及轴向栽荷的情况下,球径对于接触栽荷、接触应力、旋滚比及轴向刚度等性能参数的影响.通过以上性能参数随球径变化的规律,结合球径取值为离散量的特点,提出了球径的优化设计方法.     

高速角接触球轴承刚度计算及影响因素分析

在Jones-Harris刚度模型的基础上,建立了一个基于沟道控制理论的五自由度角接触球轴承刚度模型,该模型综合考虑了高转速下球的离心力、陀螺力矩等因素对轴承刚度的影响,应用准静态模型的增量法计算轴承刚度矩阵,并将轴承刚度的计算值与文献中试验值进行对比,验证了该模型的可靠性。在此基础上分析了轴向载荷、径向载荷、轴承转速和安装过盈量等因素对轴承刚度的影响,结果表明:随轴向载荷增大,径向刚度、轴向刚度和角刚度均增大;随径向载荷增大,轴向刚度和角刚度逐渐减小,径向刚度增大;随轴承转速增大,径向刚度减小,轴向刚度和角刚度先减小后趋于稳定;随安装过盈量增大,轴承径向刚度增大,轴向刚度和角刚度先减小后趋于稳定。     

多列组合角接触球轴承刚度和位移量

以滚动轴承动力学分析和滚道控制理论为基础,提出了应用Powell优化算法和Newton-Raphson算法相结合的方式计算非线性方程组,给出了预紧力和转速的多列组合角接触球轴承组合刚度相应程序。对7016A5轴承DBD组合的研究结果表明:预紧力和转速与单个轴承和轴承的组合刚度及位移量呈现非线性关系。轴承的组合轴向刚度小于单个轴承的轴向刚度,其径向刚度大于单个轴承的径向刚度。为实现预定的轴承动态性能,单双侧轴承内圈的间隙量须大于两侧轴承位移量之和。     

高速主轴离心膨胀及对轴承动态特性的影响

以高速主轴系统为对象,将主轴转子和轴承内圈分别等效为等截面梁和空心圆盘,计算离心力作用下主轴转子和轴承内圈的径向弹性变形,并分析主轴转子与轴承连接状态随转速升高的变化趋势。考虑旋转部件的离心膨胀变形,建立高速主轴轴承动力学模型并进行试验验证。在此基础上,研究离心效应对主轴轴承径向预紧状态的影响,揭示高速主轴轴承动态特性随转速的变化规律。研究结果表明,离心力引起的径向膨胀变形使滚动体与轴承内、外圈之间的接触角减小,接触力增加。主轴轴承的轴向刚度和径向刚度均随转速的升高而降低。轴承内圈的离心膨胀变形对轴承轴向刚度的影响可以忽略不计,而能在一定程度上提高轴承的径向刚度。     

基于 ABAQUS 的角接触球轴承动力学仿真分析

为研究角接触球轴承在不同转速下温度及位移变化,基于 Palmgren 摩擦生热理论,综合考虑轴向载荷、切向摩擦和法向摩擦等边界条件,在 ABAQUS 软件中建立了轴承完全热力耦合模型。对轴承外圈施加固定的轴向载荷,并对内圈加载不同的转速,使用显示求解器求解轴承在不同转速下各部件温度和轴承内圈位移变化。仿真分析表明,该模型能够准确地反映轴承的温升以及轴承内圈位移情况,为轴承选取合适工作转速区间提供理论支撑。     

Centrifugal force induced dynamics of a motorized high-speed spindle

Trend of the high-speed and high efficiency machining has pushed the continuous demand of higher spindle speed and power for the machining center application. Because the extremely high speed produces significant centrifugal force, it creates a need to predict the spindle dynamical characteristics at dynamic states. This work presents analysis results of the spindle dynamic of a motorized high speed spindle with angular ball contact bearings. For a machining center, two major subsystems determining the overall spindle stiffness are the shaft/bearing subsystem and the draw bar mechanism subsystem. Shaft/bearing stiffness as well as the natural frequency decreased at high speeds due to the bearing softening and gyroscopic effect. The bearing softening is the major reason of the reduced spindle stiffness, while the gyroscopic effect plays the secondary effect. Angular contact ball bearing softening at high speed is due to the reduced contact load and increased contact angle at the ball/inner-raceway contact interface caused by the centrifugal force. For the draw bar mechanism, analysis results show that the dynamic draw force at high speeds is significantly increased from that designed at the static state. Because the toolholder/spindle interface stiffness is proportional to the draw force, centrifugal force theoretically contributes a plus to the spindle stiffness at dynamic state. The dynamic draw force, however, is dependent on the friction loss inside the draw bar mechanism. Because of the low friction coefficient, the ball-type mechanism is superior to the wedge type mechanism.     

计入套圈径向热位移的角接触球轴承动力特性分析

鉴于高速条件下热位移对角接触球轴承性能有重要影响,推导了轴承套圈径向热位移计算公式,给出了考虑套圈径向热位移影响的高速角接触球轴承动力特性计算方法和相应程序。对7012C轴承的计算结果表明,轴承套圈尤其是内圈径向热位移较大,由此引起内外圈沟道间的径向相对位移;随着轴承内外圈热位移的增大,内接触角减小而外接触角增大,滚动体的离心力减小而陀螺力矩增大,接触变形、接触应力、接触载荷以及轴承刚度明显增大。因此,为使角接触球轴承动力特性分析会更加精确、更加符合实际,必须计入套圈径向热位移影响。     

Experimental Study of Four-Point Contact Ball Bearing with Deformable Rings

When a ball bearing is designed with thin rings or is mounted in a flexible housing, the assumption of rigid rings is not true anymore. In this article, an experimental study is presented and a comparison with a numerical model is performed. The numerical approach is based on the coupling between a semi-analytical code and a finite element (FE) model that computes the deformation of the rings and housings. The numerical model accounts for ring ovalization, raceway opening, change of conformity, and structural displacements of the whole assembly. The experimental setup allows investigation of the load–displacement behavior of a four-point contact ball bearing submitted to a static thrust loading. Displacements are measured by an optical method (stereo-correlation) that enables comparison of the surface deformation of the two tested bearings and computation of the rigid-body displacement of the inner ring with respect to the outer ring. A comparison between experimental results, numerical results, with and without consideration of ring and housing stiffness, is presented. The numerical results show the importance of the housing stiffness in the modeling, even with standard ball bearings with relatively large and thick rings. Good agreement between measured quantities and numerical results was found. This permits the prediction of the real nonlinear bearing stiffness (load–displacement curve) with a reasonable margin of error.     

不同轴向载荷下氮化硅全陶瓷轴承润滑特性

全陶瓷球轴承广泛应用在航天航空领域、燃气发动机和极端工况下,然而针对全陶瓷轴承油润滑特性的研究比较少见。以氮化硅6206全陶瓷深沟球轴承作为研究对象,在轴承测振仪上开展陶瓷轴承润滑特性实验研究,采用拟静力学和最小油膜厚度理论通过MatLab的牛顿迭代法得到比较精确的数值解,分析陶瓷轴承的接触载荷、轴向载荷、离心力、最小油膜厚度之间的关系,并通过改变供油量和轴向载荷得到陶瓷轴承在不同工况下的振动规律。实验结果表明：在轴向载荷相同条件下球与外圈之间的接触载荷比球与内圈之间的接触载荷大,轴向位移随着轴向载荷增加呈递增趋势;在轴向载荷一定时,存在一个最佳供油量使轴承振动最小,在干摩擦条件下轴承振动随着轴向载荷增加呈先减少后增大的趋势。     

深沟球轴承的载荷分布与刚度特征研究

采用有限元法计算了"奇压"与"偶压"两种受载形式下深沟球轴承的静力学响应。对比讨论了轴承内接触应力分布、轴承变形及刚度的变化特征。结果表明当外载荷达到某一值时,关键滚动体与外圈滚道接触中心的接触应力明显大于与内圈滚道接触中心的接触应力,并随着载荷的增加,这个趋势越发明显;两种受载形式下,轴承的位移与刚度表现出明显的差异,奇压形式下,轴承的径向位移小于偶压形式下的径向位移,而奇压形式下的轴承刚度则大于偶压形式下的刚度;相同载荷作用下,静力学方法计算的轴承径向位移小于有限元法计算结果。     

中子应力谱仪样品承重台回转支承载荷分析

针对中子应力谱仪样品承重台(简称“中子谱仪样品台”)旋转运动机构用三排圆柱滚子回转支承的特殊结构和受载情况,基于Hertz理论,实现了力学分析模型的建立和求解,在此基础上通过有限元法分析了中子谱仪样品台极限工况下滚子与滚道之间的接触特性,然后分析了轴向载荷、径向载荷、滚子数量对回转支承刚度的影响。研究结果表明：在中子谱仪样品台极限工况下,上排滚子与滚道的接触区域等效应力最大,为76.98MPa,外圈滚道的最大等效应力为14.82MPa,内圈滚道最大等效应力为11.26MPa;刚度分别随轴向载荷、径向载荷和滚子数目的增大而增大,且均成非线性关系,当轴向载荷增至1200kN、径向载荷增至300kN时,轴向刚度和径向刚度增长趋势明显减慢,当上排与下排滚子数量增至170时,轴向刚度的增大趋势明显加快。研究结果为中子谱仪样品台旋转运动机构的设计提供了参考。