高速电主轴球轴承力学特性分析及最佳预紧力研究

【摘要】为了适应高速、高效率以及高精度的现代加工要求,新一代高速电主轴调速范围越来越宽,而且要求在转速较低时提供大扭矩,在转速高时具有大功率输出。这就要求高速电主轴低速时具有高刚性,高速时具有良好的稳定性。轴承预紧是提高主轴刚性和稳定性的主要手段,因此高速电主轴轴承要求在不同转速预紧力可动态调节,从而使电主轴具有更好的工作性能。电主轴轴承预紧力的主动动态控制技术是适应轴承高速化的必然发展趋势。角接触球轴承具有良好的高速性能和支承刚性,是高速电主轴上应用最为广泛的轴承类型,对角接触球轴承进行力学分析是研究轴承最佳预紧力的基础,而最佳预紧力的合理建模是实现主轴预紧力主动控制的前提,本文围绕高速角接触球轴承的力学特性及最佳预紧力模型的建立展开深入分析研究。主要内容包括：(1)基于高速角接触球轴承Hertz接触理论与拟动力学分析方法,分析了高速角接触球轴承接触角、接触载荷、接触应力、接触椭圆参数、旋滚比、油膜厚度、刚度以及摩擦力矩等的变化规律,比较分析了角接触陶瓷球轴承与钢球轴承的力学性能,为最佳预紧力的获得提供了初步的理论基础。在Matlab中采用Newton-Raphson算法编写了求解高速角接触球轴承的拟动力学非线性方程组的计算程序。(2)基于高速角接触球轴承力学特性,对其最佳预紧力的优化方法进行了研究,并以轴承合理温升以及轴承内部载荷分布为控制目标,确定了高速电主轴轴承预紧力理论分析方法,并取得了最佳预紧力模型。(3)最佳预紧力模型应用于具体高速电主轴,对电主轴建立实际三维有限元模型,考虑接触和油膜热阻对传热的影响,对其进行了整体的热分析,确定分析了预紧力与轴承温升的关系,结合轴承温升要求与高速电主轴轴承的内部载荷要求给出了不同转速下的预紧力的推荐值,比较了在预紧力可动态调节与定压预紧下的主轴性能。通过分析结果表明,轴向预紧力对轴承性能影响显著,增大轴承预紧力,可明显提高轴承的刚性,但轴承发热量也会随之增大。主轴低速时,预紧力对轴承温升影响不大,但随着转速的提高,温升对预紧力越来越敏感,转速越高影响越大,温升越高。通过对比可动态调节预紧与定压预紧电主轴样机分析结果,可以知道：转速低时,对轴承进行动态调节预紧,采用较大预紧力,可提高电主轴的刚度,最高提升了约14.9%；高速时,采用较小预紧力,则可使电主轴的温升降低达6.0%。
【作者】雷枝武；
【导师】肖曙红；
【作者基本信息】广东工业大学，机械工程，2014，硕士
【关键词】角接触球轴承；拟动力学；接触载荷；轴承刚度；轴承预紧；热分析；

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