基于轴承热位移的电主轴系统动态特性分析方法研究

论文摘要

高速加工是代表现代制造业发展趋势的一项新技术。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，从而影响轴承刚度、精度和寿命等。热变形问题已成为制约电主轴高速化的一大难题。因此针对高速电主轴热位移作用下动态性能的研究已成为电主轴开发工作的迫切需求。本文在分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研究的数值方法。利用该模型及方法研究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明显。在以上研究基础上，进一步建立了基于Timoshenko梁理论的转轴模型，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，采用有限元法进行分析。利用所建立的动态热态模型及有限元法研究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。分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，可避免共振，提高系统工作的稳定性。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研究。结果表明，当轴承预紧力大和采用双“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，以及轴承采用双“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，从而使轴承温升显著增加，加剧轴承磨损，降低轴承使用寿命和回转精度，不适合高速。为适应高速化的工程实际应用需求，电主轴宜采用定压预紧。基于上述研究，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电主轴进行方案设计，并利用所建立的电主轴动态热态模型进行动态性能分析。分析表明，两款电主轴刚度及一阶临界转速符合技术要求，设计方案合理。为验证考虑轴承热位移的电主轴动态特性分析方法的合理性。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研究。结果表明，主轴轴端刚度、温升、固有频率的理论计算值与实验测量值较为吻合，从而验证了本文所建模型及分析计算方法的有效性。本文的研究工作为电主轴静动态性能分析及结构设计优化提供了重要的理论依据和实现途径，具有理论分析和工程设计参考价值。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 插图索引
• 附表索引
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景及研究意义
• 1.1.1 研究背景
• 1.1.2 研究意义
• 1.2 电主轴动态热态耦合特性研究现状
• 1.2.1 电主轴动态特性研究现状
• 1.2.2 电主轴热态特性研究现状
• 1.2.3 动态热态耦合特性
• 1.3 电主轴动态热态耦合特性研究方法
• 1.3.1 传递矩阵法
• 1.3.2 有限元法
• 1.3.3 仿真软件的开发
• 1.4 存在的问题
• 1.5 本文的研究内容
• 第2章 考虑热位移的角接触球轴承拟动力学建模
• 2.1 引言
• 2.2 考虑热位移的轴承拟动力学模型
• 2.2.1 轴承内外套圈和滚动体变形的几何关系
• 2.2.2 球滚动体的受力分析
• 2.2.3 轴承受力分析
• 2.3 电主轴轴承系统热平衡温度场的计算
• 2.3.1 轴承发热量的计算
• 2.3.2 建立电主轴热传递模型
• 2.4 轴承热位移计算
• 2.4.1 轴承零件径向热位移
• 2.4.2 轴承零件轴向热位移
• 2.5 考虑轴承热位移的拟动力学求解
• 2.6 本章小结
• 第3章 电主轴系统的动态热态动力学建模
• 3.1 引言
• 3.2 电主轴系统的动态热态动力学建模
• 3.2.1 转子系统动力学模型
• 3.2.2 考虑热位移的轴承刚度模型
• 3.2.3 刀具模型
• 3.2.4 “主轴—轴承—刀具”系统动态热态模型
• 3.3 模型特征及求解方法分析
• 3.3.1 单元刚度矩阵及总刚度矩阵的合成
• 3.3.2 单元质量矩阵及总质量矩阵的合成
• 3.3.3 方程求解分析
• 3.4 本章小结
• 第4章 角接触球轴承动态热态特性研究
• 4.1 引言
• 4.2 预紧力和转速对轴承温升的影响
• 4.2.1 预紧力对轴承温升的影响
• 4.2.2 转速对轴承温升的影响
• 4.3 热平衡温度场的确定
• 4.4 轴承热位移的计算
• 4.5 热位移对轴承参数的影响
• 4.5.1 内接触载荷
• 4.5.2 外接触载荷
• 4.5.3 内接触角
• 4.5.4 外接触角
• 4.5.5 径向刚度
• 4.5.6 轴向刚度
• 4.5.7 角刚度
• 4.5.8 摩擦力矩
• 4.6 本章小结
• 第5章 基于电主轴系统动态热态模型的数值分析及其应用
• 5.1 引言
• 5.2 考虑轴承热位移的电主轴动态性能计算
• 5.2.1 加工中心电主轴静动态性能分析
• 5.2.2 磨削电主轴静动态性能分析
• 5.3 考虑轴承热位移的电主轴静动态特性影响因素分析
• 5.3.1 轴承热位移
• 5.3.2 预紧力
• 5.3.3 轴承配置形式
• 5.3.4 主轴跨距
• 5.3.5 刀具参数的影响
• 5.4 重大专项方案设计和结果分析
• 5.4.1 50kW/20krpm 电主轴设计
• 5.4.2 18kW/40krpm 电主轴设计
• 5.4.3 两款电主轴最终设计方案校核
• 5.5 本章小结
• 第6章 电主轴系统动态热态特性分析的实验研究
• 6.1 引言
• 6.2 静刚度测试
• 6.2.1 实验原理和仪器
• 6.2.2 实验方法及结果
• 6.2.3 理论与实验结果对比分析
• 6.3 温升测试
• 6.3.1 实验原理和仪器
• 6.3.2 实验方法及结果
• 6.3.3 理论与实验结果对比分析
• 6.4 固有频率的测试
• 6.4.1 实验原理和仪器
• 6.4.2 实验方法及结果
• 6.4.3 理论与实验结果对比分析
• 6.5 本章小结
• 第7章 结论与展望
• 7.1 论文总结
• 7.2 工作展望
• 参考文献
• 致谢
• 附录 A （攻读学位期间所发表的学术论文目录）
• 附录 B （攻读学位期间所参加的科研项目）
• 附录 C （攻读学位期间所获得的专利目录）