（机械制造及其自动化专业论文）基于热结构耦合的高速车削电主轴特性分析.pdf

摘要 摘要 高速车削电主轴运行中，电机的损耗发热和轴承的摩擦发热使系统温度升高。 轴承在温升的影响下，产生热诱导预紧力，导致预紧力增大。轴承预紧力大小直接 决定轴承的刚度大小，而轴承的刚度大小直接影响整个主轴系统的固有频率大小及 动态响应。主轴高速旋转时，轴承的离心力影响也不可忽略。因此，本文通过推导 轴承温升与热诱导预紧力的方程，建立车削电主轴的热态与主轴系统动态的耦合模 型，分析电主轴的热态对主轴系统动态的影响。 以a n s y s 软件为平台，采用有限元方法先分析车削电主轴的热结构特性；再 提取电主轴稳态热分析后的轴承内圈、滚珠和外圈温度值用以计算热诱导预紧力； 最后研究热诱导预紧力和离心力联合作用下的主轴系统动力学特性。主要研究内容 如下： ( 1 ) 计算电机的损耗发热和混合陶瓷球轴承的摩擦发热；分析初始预紧力、 初始接触角、滚动体数目、润滑油粘度对轴承发热量的影响。根据电主轴对流换热 的特点，计算相关零部件的对流换热系数与转速的关系。基于有限元软件a n s y s ， 研究电主轴转速为6 0 0 0 r m i n 时的稳态、瞬态和热变形等热态特性，对两种改进轴 承温升的措施进行分析。 ( 2 ) 根据轴承系统的热力学模型计算热诱导预紧力。研究混合陶瓷球轴承的 轴向预紧，计算轴承的径向刚度。分析热诱导预紧力和离心力的联合作用对轴承实 际预紧力以及径向刚度的影响。以a n s y s 软件为平台，建立主轴系统在热影响下的 三维有限元模型。与电主轴传统的动态特性分析不同，本文在热诱导预紧力和离心 力的联合作用下研究电主轴的模态及谐响应特性。分析主轴系统的动刚度随转速的 变化趋势以及前端、中端、后端三个位置在共振频率处所发生的最大动态位移，为 车削电主轴的动态特性设计提供理论参考依据。 关键词：车削电主轴；热态；热诱导预紧力；动态：有限元；a n s y s 广东工业大学硕士学位论文 a b s t r a c t w h e nt h el a t h em o t o r i z e ds p i n d l eo p e r a t e s ，i t st h e r m a ll o s so fm o t o ra n df r i c t i o n h e a to fb e a r i n g sw i l li n c r e a s et h ew h o l es y s t e mt e m p e r a t u r e t h eb e a r i n gs y s t e mw i l l i n d u c et h e r m a lp r e l o a du n d e rt h ei n f l u e n c eo ft e m p e r a t u r er i s e ，r e s u l t i n gi ni n c r e a s et h e b e a r i n gp r e l o a d t h eb e a r i n gp r e l o a dd i r e c t l yd e t e r m i n e st h eb e a r i n gs t i f f n e s s ，b e a r i n g s t i f f n e s sd i r e c t l ya f f e c t st h en a t u r a l f r e q u e n c ya n dd y n a m i cr e s p o n s eo ft h ew h o l e s p i n d l es y s t e m t h eb e a r i n gc e n t r i f u g a lf o r c ec a n tb ei g n o r e dw h e nt h es p i n d l ew o r k sa t h i g hs p e e d t h e r e f o r e ，b yd e d u c i n gt h ee q u a t i o nb e t w e e nb e a r i n gt e m p e r a t u r ea n d t h e r m a l l yi n d u c e dp r e l o a d ，t h ec o u p l i n gm o d e lc a nb ee s t a b l i s h e db e t w e e nt h el a t h e m o t o r i z e ds p i n d l et h e r m a lc h a r a c t e r i s t i c sa n d s p i n d l ed y n a m i c a n dw ea n a l y z ed y n a m i c c h a r a c t e r i s t i c so ft h em o t o r i z e ds p i n d l ea f f e c t e db yt h et h e r m a ls t a t e t h i s p a p e r f i r s tu s e st h ef i n i t ee l e m e n tt o a n a l y z e t h et h e r m a l s t r u c t u r e c h a r a c t e r i s t i c so ft h em o t o r i z e ds p i n d l ea st h ea n s y ss o f t w a r ef o rp l a t f o r m t h e np i c k u pt h ei n n e rr i n g ，b a l la n do u t e rr i n gt e m p e r a t u r ea f t e rt h es t e a d y - s t a t et h e r m a la n a l y s i s o ft h em o t o r i z e ds p i n d l et oc a l c u l a t et h et h e r m a l l yi n d u c e dp r e l o a d a tl a s t s t u d yt h e s p i n d l ed y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c su n d e rt h ec o m b i n e de f f e c t so ft h et h e r m a l l yi n d u c e d p r e l o a da n dt h ec e n t r i f u g a lf o r c e t h em a i nr e s e a r c hc o n t e n t sa sf o l l o w s ： ( 1 ) t h eb e a r i n gf r i c t i o nh e a ta n dt h eh e a tl o s so ft h em o t o ra r ec a l c u l a t e d a sw e l l a st h ei n f l u e n c e so ft h ei n i t i a lp r e l o a d ，t h ei n i t i a lc o n t a c ta n g l e ，t h en u m b e r so f r o l l i n g b o d y , v i s c o s i t yo fl u b r i c a n ta f f e c tt h eb e a r i n gf r i c t i o nh e a t t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h e h e a tt r a n s f e rc o e f f i c i e n to fc o r r e l a t ep a r t so ft h em o t o r i z e ds p i n d l ea n dt h es p i n d l es p e e d a r ec a l c u l a t e d t h ef i n i t ee l e m e n ta n a l y s i si su s e dt oa n a l y z et h es t e a d yt e m p e r a t u r ef i e l d ， t r a n s i e n tt e m p e r a t u r ef i e l da n dt h e r m a ld e f o r m a t i o no ft h em o t o r i z e ds p i n d l ea st h e a n s y ss o f t w a r ef o rp l a t f o r m t w ow a y st oi m p r o v et h eb e a r i n gt e m p e r a t u r er i s ea r e a n a l y z e d ( 2 ) at h e r m o - m e c h a n i c a lb e a r i n gm o d e li sp r o p o s e dt oc a l c u l a t et h et h e r m a l l y i n d u c e dp r e l o a d t h ea x i a lp r e l o a do fh y b r i dc e r a m i ca n g u l a rc o n t a c tb a l lb e a r i n g si s i i a b s t r a c t s t u d i e da n dt h er a d i a ls t i f f n e s so fb e a r i n g si sc a l c u l a t e d t h ei n f l u e n c e so ft h eb e a r i n g a c t u a lp r e l o a da n dr a d i a ls t i f f n e s sa r ea n a l y z e du n d e rt h ec o m b i n e de f f e c t so ft h e t h e r m a l l yi n d u c e dp r e l o a dw i t hc e n t r i f u g a lf o r c e t h ea c c u r a t e3 ds p i n d l em o d e l i n gi s e s t a b l i s h e da tt h et h e r m a la f f e c t s b ed i f f e r e n tf r o mt h et r a d i t i o n a la n a l y s i so fd y n a m i c c h a r a c t e r i s t i c s ，t h es p i n d l e m o d e la n d h a r m o n i cr e s p o n s ec h a r a c t e r i s t i c su n d e rt h e c o m b i n e de f f e c t so ft h et h e r m a l l yi n d u c e dp r e l o a dw i t ht h ec e n t r i f u g a lf o r c ew i l lb e s t u d i e d t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e ns p i n d l ed y n a m i cs t i f f n e s sa n ds p e e di sa n a l y z e d i n o r d e rt op r o v i d et h e o r yd y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c s ，t h em a x i m u md y n a m i cd i s p l a c e m e n t so f t h ef r o n t ，m i d d l ea n dr e a re n do ft h el a t h em o t o r i z e ds p i n d l ea r es t u d i e d k e y w o r d s ：t h el a t h em o t o r i z e ds p i n d l e ；t h e r m a lc h a r a c t e r i s t i c s ；t h e r m a l l y i n d u c e d p r e l o a d ；d y n a m i c ；a n s y s i i i c o n t e n t s c o n t e n t s a b s t r a c t ( i nc h i n e s e ) i a b s t r a c t i i c o n t e n t s ( i nc h i n e s e ) i v c o n t e n t s v i i c h a p t e r 1i n t r o d u c t i o n 1 1 1r e s e a r c hb a c k g r o u n da n ds i g n i f i c a n c e 1 1 2b a c k g r o u n da n dl i t e r a t u r er e v i e w 2 1 2 1r e v i e wo fh i g h - s p e e dm o t o r i z e ds p i n d l eu n i ta th o m ea n da b r o a d 2 1 2 2t h e r m a lc h a r a c t e r i s t i c sr e v i e wo fh i g h - s p e e dm o t o r i z e ds p i n d l e 2 1 2 3 d y n a m i c c h a r a c t e r i s t i c sr e v i e wo fh i g h s p e e dm o t o r i z e ds p i n d l e 3 1 3 s u b j e c ts o u r c ec o n t e n t sa n d f e a t u r eo ft h ep r o j e c t 4 1 3 1 s u b j e c ts o u r c e 4 1 3 2r e s e a r c hc o n t e n t so ft h ep r o j e c t 4 1 3 3f e a t u r es t u d yo f t h ep r o j e c t 5 c h a p t e r2s t r u c t u r eo ft h el a t h em o t o r i z e ds p i n d l ew i t h c h a r a c t e r i s t i c so ft h e t h e r m a la n dd y n a m i c a n a l y s i s 6 2 1b a s es t r u c t u r eo ft h el a t h em o t o r i z e ds p i n d l e 6 2 1 1 s p i n d l em o t o r 6 2 1 2 s p i n d l eb e a r i n g 7 2 1 3l u b r i c a t i o ns y s t e mo fs p i n d l eb e a r i n g 7 2 1 4 c o o l i n gs y s t e mo fs t a t o 8 2 2c h a r a c t e r i s t i c so ft h et h e r m a la n dd y n a m i ca n a l y s i s 9 2 2 1t h e r m a ld e f o r m a t i o nm e c h a n i s mo fs p i n d l e 9 2 2 2 a n a l y s i sp r o c e s sa b o u t t h et h e r m a ls t a t ea f f e c ts p i n d l ed y n a m i c 10 2 3 c h a p t e rs u m m a r y 11 c h a p t e r3h e a t i n go ft h eh e a ts o u r c e sa n dc h a r a c t e r i s t i c sa n a l y s i so ft h eb o u n d a r y v l i 广东工业大学硕士学位论文 c o n d i t i o n so ft h el a t h em o t o r i z e ds p i n d l e 1 2 3 1t h eh e a tc a l c u l a t i o no f t h es t a t o ra n dr o t o r 1 2 3 1 1m e c h a n i c a ll o s s 1 2 3 1 2d i e l e c t r i cl o s s 1 2 3 1 3 m a g n e t i cl o s s 1 3 3 2h e a tc a l c u l a t i o no f h y b r i dc e r a m i cb a l lb e a r i n g s 1 4 3 2 1t h ec o n t a c ta n g l eo ft h ec e r a m i cb a l lb e a r i n g s 15 3 2 2c o n t a c t a n a l y s i so ft h eb a l l 18 3 2 3m e c h a n i c a la n a l y s i so ft h eh i g h - s p e e dc e r a m i cb a l lb e a r i n g s 19 3 2 4t h er o t a t i o ns p e e do ft h ec e r a m i cb a l l 2 2 3 2 5h e a tc a l c u l a t i o no fc o n t a c ta r e ao fi n n e ra n do u t e rr a c e w a yw i t hb a l l 2 2 3 2 6r e s u l t sa n a l y s i so ft h eb e a r i n gh e a t 2 5 3 3t h e r m a lb o u n d a r ya n a l y s i so f t h el a t h em o t o r i z e ds p i n d l e 2 6 3 3 1f o r c e dc o n v e c t i o nh e a tt r a n s f e ro f c i r c u l a t i n gc o o l i n go i l 2 7 3 3 2c o n v e c t i o nh e a tt r a n s f e rb e t w e e nt h ee n do f r o t o ra n dt h ea i r 2 9 3 3 3c o n v e c t i o nh e a tt r a n s f e rb e t w e e nt h ef r o n ts e a l i n gr i n ga n dt h ea i r 2 9 3 3 4c o n v e c t i o nh e a tt r a n s f e rb e t w e e nt h es t a t i cs u r f a c ea n dt h ea i r 3 0 3 4 c h a p t e rs u m m a r y 31 c h a p t e r4t h e r m a lc h a r a c t e r i s t i c so ft h el a t h em o t o r i z e ds p i n d l eb a s e do nt h e c o u p l e dt h e r m a l - s t r u c t u r ea n a l y s i s 3 2 4 1 b a s i co f a n s y sa n dt h e r m a la n a l y s i s 3 2 4 1 1t h eb a s i cp r i n c i p l eo ft h e r m a la n a l y s i s 3 2 z i 1 2 c o u p l e df i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s 3 4 4 1 3c o n t a c ta n a l y s i s 3 5 4 2f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i sm o d e lb u i l d i n go ft h em o t o r i z e ds p i n d l 3 5 4 2 1t h eg e o m e t r i cm o d e lc r e a t i n g 3 5 4 2 2e l e m e n tt y p es e l e c t i o na n dm e s h i n g 3 6 4 3 a n a l y s i so f t h e r m a lc h a r a c t e r i s t i c so f t h el a t h em o t o r i z e ds p i n d l e 3 7 4 3 1 s t e a d yt e m p e r a t u r ef i e l dc h a r a c t e r i s t i c so f t h em o t o r i z e ds p i n d l e 3 8 4 3 2t r a n s i e n tt e m p e r a t u r ef i e l dc h a r a c t e r i s t i c so ft h em o t o r i z e ds p i n d l e 4 2 v i l l c o n t e n t s 4 3 3t h e r m a ld e f o r m a t i o nc h a r a c t e r i s t i c so ft h em o t o r i z e ds p i n d l e 4 5 4 4m e a s u r e st oi m p r o v et h et h e r m a lc h a r a c t e r i s t i c so ft h em o t o r i z e ds p i n d l e 。4 8 4 4 1t h e r m a lc h a r a c t e r i s t i c so ft h eb e a r i n go i l - g a sl u b r i c a t i o n 4 8 4 4 2t h e r m a lc h a r a c t e r i s t i c so ft h ef o r c e do i l w a t e rc y c l ec o o l i n gs y s t e mo f f r o n tb e a r i n g s 5 0 4 5 c h a p t e rs u m m a r y 5 3 c h a p t e r5d y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c sa n a l y s i so ft h el a t h em o t o r i z e ds p i n d l eu n d e r t h ec o m b i n e de f f e c t so ft h et h e r m a l l yi n d u c e dp r e l o a da n dt h ec e n t r i f u g a l f o r c e 5 5 5 1c a l c u l a t i o no ft h eb e a r i n gt h e r m a l l yi n d u c e dp r e l o a d 5 5 5 2s t i f f n e s sc a l c u l a t i o no ft h ea n g u l a rc o n t a c tc e r a m i cb a l lb e a r i n g 5 7 5 2 1 a x i a lp r e l o a ds t u d yo ft h eb e a r i n g 5 9 5 2 2r a d i a ls t i f f n e s sc a l c u l a t i o no ft h eb e a r i n g 5 9 5 3a no v e r v i e wo ft h ed y n a m i ca n a l y s i so ft h em o t o r i z e ds p i n d l e 6 0 5 3 1t h et h e o r e t i c a lb a s i so f t h em o d a la n a l y s i s 6 1 5 3 2t h et h e o r e t i c a lb a s i so ft h eh a r m o n i cr e s p o n s ea n a l y s i s 6 2 5 4s t a t i cs t i f f n e s sa n a l y s i so ft h es p i n d l es y s t e m 6 2 5 5 d y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c sa n a l y s i so ft h es p i n d l es y s t e mu n d e rt h ec o m b i n e d e f f e c t so ft h et h e r m a l l yi n d u c e dp r e l o a da n dt h ec e n t r i f u g a lf o r c e 6 5 5 5 1m o d a la n a l y s i so ft h es p i n d l es y s t e m 6 5 5 5 2t h en a t u r a lf r e q u e n c yo ft h es p i n d l es y s t e mu n d e rt h ec o m b i n e de f f e c t s o ft h et h e r m a l l yi n d u c e dp r e l o a da n dt h ec e n t r i f u g a lf o r c e 6 7 5 5 3h a r m o n i cr e s p o n s ea n a l y s i so f t h es p i n d l es y s t e m 7 0 5 6 c h a p t e rs u m m a r y ：7 3 s u m m a r ya n dp r o s p e c t 7 5 r e f e r e n c e s 7 7 p a p e rl i s t 8 0 s t a t e m e n to fo r i g i n a lc r e a t i o n 8 1 a c k n o w l e d g e m e n t s 8 2 i x 第一章绪论 第一章绪论 1 1 本课题的学术背景及意义 随着生产技术和科学技术的飞速发展，机械设备尤其是机床日益向高速、高效、 高精度的方向发展，因而对机床的加工性能提出了更高的要求川。电主轴的高速、 高精密和无级变速更利于捉高机床的品质，因而广泛应用于车、麽、钻、铣等多种 机床。 磨削用电主轴一般都是恒扭矩设计的电机，电机的最高转速和功率以及电压的 关系是等比关系，电压和功率随电主轴转速的增加线性增加。铣削用电主轴与数控 铣、雕铣机及并联机床相配套，进行高速铣削和雕刻加工，适用于常规零件、工模 具、木工件加工。车削用电主轴能获得好的加工精度和表面粗糙度，特别适应于铝、 铜类有色金属零件的加工。 车削用电主轴在设计上通常有恒扭矩段和恒功率段相配合，这也是和加工中心 类电主轴的工作方式分彳i 开的。在低速段，通常指1 5 0 0 转以下，加工中心需要大吃 刀量的切削，扭矩输出要很大，并具备很强的短时过载能力，通常要求能达到2 2 倍以上。而在高转速段，需要使功率能随着转速的升高恒定保持，实现恒功率的精 车工作。配合能够在低速段实现数倍额定扭矩输出的伺服控制器，车削电主轴在低 速大扭矩输出的能力可以更好的得到提高。 和磨削、铣削用电主轴刘比，车削用电主轴除传递运动、扭矩外，还要带动工 件旋转直接承受切削力。在一定载荷和转速下，主轴部件要保证工件精确而稳定地 绕其轴线作回转运动，并在动态和热态的条件下，仍能保持这一性能。为此，车削 中心所使用的电主轴应具备如下特征：高回转精度、高刚度、抗振性强、电机特性 优良和热特性稳定【纠。 在高速数控机床中，车削用电主轴单元由高刚度和高精度的零部件组成，因切 削力引起的加工误差比较小。然而电主轴运行中，其电机的损耗发热和轴承的摩擦 发热将引起热变形。如果热变形处理不当，会严重地降低机床的加工精度。因此， 车削用电主轴的热结构特性对机床加工精度的影响较大，并直接限制电主轴转速的 广东工业大学硕士学位论文 提高。 用在高精度机床上的车削电主轴，不但要求主轴转速高，而且要求其旋转精度 也高、并且振动小。电主轴动态特性的好坏直接关系到数控机床的加工精度和可靠 性。电主轴运转时，由于温升的影响导致热诱导预紧力的产生，使轴承预紧力增大。 而轴承预紧力的改变影响整个主轴系统的固有频率及动态向应。主轴高速旋转时， 离心力软化轴承支撑刚度，其影响也不可忽略。因此，必须分析电主轴的热态对主 轴系统动态的影响，研究热诱导预紧力和离心力联合作用下的主轴系统动态特性。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 国内外高速电主轴单元的研究概述 国际上，除原有专业开发电主轴的g m n 、g a m f i o r 、f i s c h e r 等知名公司外， 又出现了i b a g 、f a e m e t 、s m z 、c a p e l l i n l 、k l u f e r 、0 k u m a 等专业公司 【3 l 。i b a g 公司提供几乎任何转速、扭矩、功率、尺寸的电主轴，产品范围很宽，其 电主轴最大转速可达1 4 0 0 0 0 r m i n ，直径范围2 5 - - 3 0 0 m m ，功率范围0 1 2 5 k w - - 一8 0 k w ，扭矩范围0 0 2 - - 3 1 0 n m 。用户可提出自己希望的功率、扭矩曲线，甚至是特 殊的机械结构。瑞士公司生产的h s m 7 0 0 高速加工中心，装有h f 系列陶瓷球轴承 电主轴，主轴径向圆跳动在o 5 2 0 u r n 之间，主轴转速己经达到4 2 0 0 0 r m i n ( 1 2 k w ) ， 切削速度提高了5 1 0 倍，可对精密和薄壁零件快速连续加工，生产成本减少2 0 8 0 。意大利的一些公司的精密机床，使用装有内置电动机和陶瓷球轴承的电主轴， 主轴转速达3 0 0 0 0 r m i n ( 1 7 k w ) ，用于加工质量高达9 0 0 k g 、精度达1 5 微米的壳体 零件。美国公司生产的h v m 型高速机床，主轴转速达2 0 0 0 0r m i n ( 2 5 k w ) m 。 我国在高速电主轴的整体制造技术上与国外还存在较大的差距，主要体现在以 下方面：转速、输出扭矩、轴承润滑、电主轴产品化、配套技术等。目前，国内的 供应商可提供的电主轴最高转速达1 5 0 0 0 0 r r a i n ，最大输出功率可达1 5 0 k w ，最大输 出转矩可达1 0 0 0 n r n 。其主要类型涵盖磨、铣、车、钻、木工、离心、旋辗和试验 机用电主轴等八大类【5 1 。 1 2 2 高速电主轴热态特性研究综述 研究电主轴的热态特性主要任务是分析电主轴的热源、温升、温度场以及热位 第一章绪论 移场。热变形引起的误差已经成为影响加工精度的主要因素，已经达到零件总加工 误差的6 0 8 0 t s 】。国外，美国普渡大学的b e r tr 、j o r g e n s e n 和y u n gc s h i n 推出了一 个包括热变形的轴承载荷变形模型，并与离散的主轴动态模型结合在一起，这一模 型可以得到主轴固有频率、轴承刚度和热变形的较精确的结裂 。韩国学者j i nk y u n g c h o i 等用大型有限元软件a n s y s 分析了五轴加工中心的主轴轴承热态特性，分析 结果与实验所得数据相近。研究结果表明：如果选用合适的主轴传热系数，则有限 元法是主轴系统热态分析的合适工具1 8 。美国普渡大学的b e r nb o s s m a n n s 和j a yf t u 教授从高速电主轴的能量流动方面进行分析，提出了电主轴能量流动模型，并研究 了主轴发热的特性 9 】。c h i w e il i n 等学者则建立了电主轴热态与动态的综合模型， 研究了轴承预紧力对整个主轴的动力学性能的影响以及离心力对主轴动力学性能的 影i i 向t , o j 。 国内，在张伯霖教授的带领下，广东工业大学的超高速加工与机床研究室从2 0 世纪9 0 年代初就开始了对高速电主轴的研究，开发出国内笫一台高速电主轴单元】。 国家高效磨削工程技术研究中心对轴承高速时的热态特性做了研究和实验，还把主 轴、轴承和轴承座作为一个系统进行了热态分卡斤【佗】。北京工业大学的周亮对电主轴 的热态与动态特性进行分析研究，进一步研究了主轴热特性对动态特性的影响【4 1 。 兰州理工大学的胡赤兵运用有限元方法分析了车削中心用电主轴的热态特性，并提 出了改善电主轴热态特性的措施1 1 3 1 。 1 2 3 高速电主轴动静态特性研究概述 在国外，s p u rg 等利用结构修正法分析了切削机床的主轴轴承的静态和动态性 能，但只是考虑轴承径向一个自由度，并且忽略了轴向、力矩方向的自由度，同时 忽略了轴承刚度的非线性0 4 1 。y uz h o n g c a o 建立了壳体、转轴及轴承的整体动力学模 型，根据j o n e s 轴承模型把轴承划分为成有限元非线性单元，充分考虑到了离心力和 陀螺力矩的影响，并对轴承刚度、接触力和主轴单元的固有频率进行了估测【1 5 1 。 j e n q s h y o n g 研究了电主轴轴承的布局及预紧力对轴承刚度和使用寿命的影响，将离 心力和热应力因素作为重点考虑在内，并研制了在线的检测仪器来控制预紧力的大 j x t l 6 1 。b r j o r g e n s e n 提出了耦合分析的经典解法，将通过热网络法算出的轴承热位 移导入拟静力学模型，解析主轴系统的动态特性【1 7 】。 国内，北京工业大学的黄旭东等采用实验方法对复杂的主轴部件进行了动态特 广东工业大学硕士学位论文 性研究【l s 】。北京理工大学的刘素华利用有限元分析软件a l g o rf e a s 对电主轴的动静 态特性进行了分析【1 9 l 。武汉理工大学的杨光和中国地质大学的王玉丹利用传递矩阵 法对电主轴的动力学特性进行了分析，将轴承假设为一维的、只有径向刚度的弹簧， 并针对a d q l 2 0 6 0 6 0 1 型电主轴进行了分析与计算，并得出转子临界转速随支撑刚 度减小而减小的结论【2 0 l 。哈尔滨工业大学的解文志建立了电主轴通用的转子动力学 模型，对电主轴进行了较精确的动态有限元建模，经a n s y s 计算分析，研究了电主 轴的固有频率、振型，分析了轴承预紧力对主轴固有频率的影响【z 。 综上可知，国内外对电主轴的热态与动静态特性的研究比较深入，但是多数学 者都是研究电主轴热态特性或动静态特性的一方面，并没有考虑两者之间的相互影 响。c h i w e il i n 等学者则建立了高速电主轴热态与动态的综合模型，研究了轴承预 紧力和离心力对主轴动力学性能的影响。但是鲜有人专门分析车削电主轴的热态对 主轴动态的影响。本文则建立车削电主轴的热态与主轴系统动态的耦合模型，首先 分析电主轴的热结构特性；在此基础上，再研究热诱导预紧力和离心力联合作用下 的主轴系统动力学特性。 1 3 本课题的来源、主要研究内容与特色 1 3 1 本课题的来源 省科技计划( 1 0 0 0 4 3 ) “数控机床电主轴、直线伺服系统的研制与应用”。 1 3 2 本课题研究的主要内容 本课题研究对象是大功率的车削电主轴，以实现电主轴的低温升和高加工精度 为研究目的。采用有限元方法对电主轴的热态与动态特性进行研究，主要内容如下： ( 1 ) 根据车削电主轴的内部结构，计算电机的损耗发热和混合陶瓷球轴承的 摩擦发热，以及初始预紧力、初始接触角、滚动体数目、润滑油粘度对轴承发热量 的影响。根据电主轴的对流换热特点，计算相关零部件的对流换热系数与转速的关 系。 ( 2 ) 基于a n s y s 软件，采用有限元方法对本课题中的电主轴进行热结构耦 合分析，研究电主轴转速为6 0 0 0 r m i n 时的稳态、瞬态和热变形等热态特性，提出 改进轴承温升的两种措施。 4 第一章绪论 ( 3 ) 根据轴承系统的热力学模型计算热诱导预紧力。研究混合陶瓷球轴承的 轴向预紧，计算轴承的径向刚度。电主轴运行中，推导轴承温升与热诱导预紧力的 方程。建立电主轴的热态与主轴系统动态的耦合模型，研究主轴系统在热诱导预紧 力和离心力联合作用下的动态特性，为优化主轴结构和改善车削电主轴的动力学特 性提供理论依据。 1 3 3 本课题的研究特色 本课题的研究特色有如下两点： ( 1 ) 采用有限元方法研究车削电主轴的热结构特性，得到了电机定转子温度、 轴承温度、主轴