主轴轴承热特性及对速度和动力学性能影响的研究

主轴轴承的摩擦热显著影响主轴单元的速度和动力学性能，是制约提高加工效率和精度的主要因素。建立热传递方程，计算轴承的摩擦热和温度分布，研究轴承的热特性，及其对速度和动力学性能的影响是一个具有理论和实际意义的重要课题。 本文以传热学、滚动轴承摩擦学和转子动力学为理论基础，以GDZ48A型电主轴为例，建立了考虑摩擦热和预紧方式影响的主轴轴承拟动力学分析模型，分析了轴承的摩擦力矩、运动、载荷和刚度，研究了轴承的热特性、设计和应用参数对速度和动力学性能的影响，并进行了试验验证。研究内容包括： 1)轴承的拟动力学分析：建立改进的拟动力学分析方法，考虑了摩擦热和预紧方式的影响，推导轴承的载荷、运动、位移、摩擦力矩和摩擦热等计算方程； 2)轴承温度分布计算：应用传热学理论，建立了主轴单元的热传递模型，推导了热传递阻抗和热传递方程； 3)轴承运转性能计算：实例计算与分析轴承的热特性、设计参数和预紧方式对运转性能的影响； 4)轴承刚度分析和测量：应用Hertz接触理论，建立轴承刚度的计算公式，实例计算和分析轴承的刚度特性，建立电主轴振动的测量与处理计算机系统，提取振动特征信号，测量轴承的刚度； 5)主轴单元动力学分析：根据振动理论，应用有限差分法和有限元法，对主轴单元的动力学特性进行分析，并进行实例计算； 6)最小预紧载荷计算：提出计算轴承最小预紧载荷的准则，并进行实例计算； 7)轴承速度性能试验研究：试验轴承结构型式和润滑参数对速度性能的影响。 通过对主轴轴承的理论分析，参数研究和试验验证，结果表明： 1)摩擦热和预紧方式对轴承的速度和动力学性能影响十分显著，轴承拟动力学分析中考虑摩擦热和预紧方式的影响使计算精度明显提高，结果更加符合实际，高速时增大的摩擦热和惯性效应降低轴承的速度和动力学性能，定压预紧下的影响小于定位预紧，速度性能优于定位预紧，定压预紧适合高速场合； 2)轴承采用外圈单挡边的结构比双挡边的温升低，球数对轴承温度的影响很小，球径和初始接触角增大使温度升高，相比定位预紧，定压预紧下更明显；两种预紧方式下，球径增大和球数增多使轴承的刚度增大，球数的影响大于球径，初始接触角增大使径向刚度降低，轴向和角刚度增大，但定压预紧下，球径增大使轴向 一 和角刚度减小，增大初始接触角不能提高轴向和角刚度； 3）预紧载荷增加使轴承的温度和刚度随之略有增加，定压预紧下，预紧载荷 应随转速、径向和力矩载荷的增加而增大，定位预紧下，环境温度越高，温升越南， 定压预紧下则相反，油雾润滑时，润滑油供给剂量和粘度以及供气压力影响轴承的 温度，合成润滑油的润滑性能好于矿物油，矿物油中含有少量合成油时润滑性能最 好，正确选择应用参数可以提高轴承的速度性能； 4）陶瓷球轴承的运转性能优于全钢轴承，定位预紧下的优点得到更加充分的 体现，全钢轴承和陶瓷球轴承的极限转速4；n值，定位预紧下分别为1斗x10‘和 6．4 XIO‘，定压预紧下分别为 2．4 XIO‘和 3．4 XIO‘，定压预紧下，陶瓷球轴承的刚度 大于全钢轴承，而定位预紧下则相反； 5）一般，轴承中球的温度最高，内圈次之，外圈温度最低，但定压预紧－厂转 速达到一定值时，外圈温度可能高于内圈； 6）主轴平动固有频率和轴承径向刚度的测量值与计算值基本一致，忽略W1）d 的影响使测量值小于计算值，表明理论分析是正确的。 本文全面揭示了主轴轴承的热特性、设计和应用参数对速度和动力学性能的影 l狗，不仅为主轴单元和主轴轴承的设计与应用提供了理论与试验依据，而且提出了 考虑摩擦热和预紧方式影响的高速轴承拟动力学分析方法，具有重要的理论和应用 价值。本文的研究方法和结论也适用其它应用场合的高速滚动轴承。