（机械制造及其自动化专业论文）高速电主轴三维热特性分析与主轴轴承预紧机理研究.pdf

ad i s s e r t a t i o ns u b m i t t e dt og u a n g d o n gu n i v e r s i t yo f t e c h n o l o g yf o rt h ed e g r e eo f m a s t e ro fe n g i n e e r i n gs c i e n c e r e s e a r c ho n3 dt h e r m a lp r o p e r t yo fh i g hs p e e d m o t o r i z e ds p i n d l ea n dp r e l o a dm e c h a n i s mo f b e a r i n q s v m a s t e rc a n d i d a t e ：c h e ns h u q u a n s u p e r v i s o r p r o f e s s o rx i a os hu h o n g m a y 2 0 10 s c h o o lo fe l e c t r o m e c h a n i c a le n g i n e e r i n gg u a n g d o n g un i v e r s i t yo ft e c hn o l o g y g u a n g z h o u ，g u a n g d o n g ，p r c h i n a ，5 1 0 0 0 6 摘要 摘要 高速精密加工是继数控技术之后，使制造技术产生第二次革命性飞跃的一项 高新技术。高速精密机床是实现高速切削的基本前提，电主轴是高速机床的核心 部件，有机床“心脏”之称，它的性能在很大程度上决定了机床所能达到的加工 精度和生产效率。 高速精密角接触球轴承是高速电主轴最常用的支承元件，具有良好的高速 性能和支承刚性。本文以角接触球轴承的h e r t z 接触理论和拟动力学为基础，在 m a t l a bg u i 中采用n e w t o n r a p h s o n 算法编写了求角接触球轴承的拟动力学非线 性方程组的计算程序，分析了角接触球轴承定压、定位预紧中的接触角、旋滚比、 摩擦力矩、接触刚度、轴承位移的速度特性规律，并对角接触球轴承的调压预紧 机理进行了深入的研究。研究表明：电主轴的主轴轴承在定压、定位预紧结构中 径向刚度会随着转速的提高而增大，轴向刚度在定压预紧中随着转速的提高而减 小，在定位预紧中随着转速的提高先增大后减小。在调压预紧中，增大轴承轴向 预紧载荷可以增大轴承的径向和轴向刚度。在转速和轴向预紧力中任一个因素的 增大，轴承的摩擦力矩都会增大。为了提高主轴在全速范围内的精度稳定性，应 适当调整主轴轴承的轴向预紧载荷，以提高主轴的旋转精度，减少轴承内部滚动 体的陀螺与自旋滑动。 高速切削中主轴因切削力的作用产生弹性变形较小，机床工作误差主要由 主轴系统热变形引起。本文在a n s y s 中考虑了角接触球轴承油膜及接触的热阻， 采用轴承有限元分析内“静拟动 和小接触面的技巧，对高速电主轴进行三维建 模，通过有限元分析，得出高速电主轴的温度场特性、热变形特性以及对主轴轴 承预紧变化的规律。研究表明：在散热过程中主轴轴承热流密度最大，对主轴的 散热影响较大，主轴轴承的内圈温度较高，在温升作用下轴承会出现径向预紧效 果；定压预紧结构中，主轴的热变形会改变主轴轴承的预紧力的分配，本文设计 了可以采用前、后轴承对背对背安装、独立调压预紧的结构，以保证主轴轴承在 高温下具有较好的预紧特性，提高主轴的旋转精度，降低轴承的摩擦生热，延长 轴承的寿命；电机定子的端部温度较高，本文提出了设置导热性较好的定子端盖 的方法，以降低定子端部温度，延长主轴电机的寿命。 广东工业大学丁学硕七学位论文 综上所述，本文从理论上分别研究了高速角接触球轴承的预紧特性与主轴单 元的三维热态特性。研究结果对于为提高电主轴的设计和应用水平具有重要的理 论意义和工程应用价值。 关键词：高速电主轴；角接触球轴承；轴承预紧；热一结构耦合分析；a n s y s a b s t r a c t h i g hs p e e da n dp r e c i s em a c h i n i n gi st h es e c o n dr e v o l u t i o n a r yb r e a k t h r o u g h a f t e r n ct e c h n o l o g y h i g hp r e c i s em o t o r i z e ds p i n d l e i st h ec o r ec o m p o n e n t ，a n di t s p e r f b r m a n c ed e t e r m i n e si ft h em a c h i n et o o lc a n r e a c ht h em a c h i n i n ga c c u r a c ya n d e f f i c i e n c yt oag r e a te x t e n t t h ep r e c i s ea n g u l a rc o n t a c tb a l lb e a r i n gi st h em a i n s t r e a ms u p p o r t i n ge l e m e n t f o rh i g h s p e e dm o t o r i z e ds p i n d l e i th a sg o o ds p e e dp e r f o r m a n c ea n db e a r i n gr i g i d i t y b a s e do nt h et h e o r yh e r t zc o n t a c ta n ds u b d y n a m i c so fa n g u l a rc o n t a c tb a l lb e a r i n g ， t h i sp a p e rc a l c u l a t e sn o n l i n e a re q u a t i o n so ft h ea n g u l a r c o n t a c tb a l lb e a r i n g ， a n a l y z e st h ev a r i e t yo ft h ec o n t a c ta n g l eu n d e rp r e l o a d i n g ，t h er a t i oo fs p i nt or o l l ， f r i c t i o nt o r q u e ，c o n t a c ts t i f f n e s sa n db e a r i n gd i s p l a c e m e n t ，a n dd i s c u s s e st h eo n l i n e p r e l o a dm e c h a n i s m r e s u l t ss h o wt h a tt h ef r i c t i o nt o r q u ea n db e a r i n gr i g i d i t y w i l l c h a n g ec o n s t a n t l yi nm o t o r i z e ds p i n d l er u n n i n gi n w i d es p e e dr a n g e i no r d e rt o i m p r o v et h es p i n d l ea c c u r a c y a n ds t a b i l i t yi nt h ef u l ls p e e dr a n g e ，t h eb e a r i n g s p r e l o a ds h o u l db ea d j u s t e dw h i c hc a ni m p r o v et h er o t a t i o np r e c i s i o no f t h es p i n d l e ， r e d u c et h eg y r o s c o p i ca n ds p i ns l i d i n go ft h eb a l l s t h es p i n d l ed e f o r m a t i o ni sm a i n l yc a u s e db yt h e r m a ld i s t o r t i o ni nh i g hs p e e d t h i sp a p e rc o n s i d e r st h e r m a lr e s i s t a n c eo fo i lf i l ma n dt h ec o n t a c ta r e ai na n g u l a r c o n t a c tb a l lb e a r i n g s ，u s e ss k i l l so f ”s t a t i cs i m u l a t e dd y n a m i c ”a n dt h es m a l lc o n t a c t a r e a , b u i l d sa3 - dm o d e l ，a n do b t a i n sh i g h s p e e ds p i n d l et e m p e r a t u r ef i e l d ，t h e r m a l d e f o r m a t i o na n dt h es p i n d l eb e a r i n gp r e l o a dv a r i a t i o n t h er e s u l t ss h o wt h a th e a t f l u xo fs p i n d l eb e a r i n g si st h em a x i m u m ，w h i c ha f f e c t ss p i n d l ec o o l i n go nt h el a r g e t h ei n n e rr i n g st e m p e r a t u r eo ft h eb e a r i n g si sv e r yh i g h b e a r i n g sr a d i a le x p a n s i o n w i l lo c c u rw h i l et h et e m p e r a t u r er i s e s i nc o n s t a n tp r e l o a ds t r u c t u r eo fb e a r i n g s ，t h e s p i n d l et h e r m a ld e f o r m a t i o nw i l lc h a n g et h ed i s t r i b u t i o no f t h ep r e l o a d an e wa c t i v e p r e l o a ds t r u c t u r ei sd e s i g n e dw h i c hc a nm a k eb e a r i n g sb ei n s t a l l e do nt h e “b a c kt o b a c k ”。e n s u r ee x c e l l e n tp r e l o a df e a t u r eu n d e rh i g ht e m p e r a t u r e t oi m p r o v et h e i i i 广东工业大学硕士学位论文 a c c u r a c yo fs p i n d l e ，r e d u c eb e a r i n g sf r i c t i o na n dh e a t ，a n de x t e n dt h eb e a r i n g sl i f e a st h et e m p e r a t u r eo ft h ew i n d i n ge n do ft h em o t o rs t a t o ri st h eh i g h e s t ，t h ep a p e r b r i n g sf o r w a r dag o o dw a yb ys e t t i n gas t a t o rc o v e rw i t hg o o dt h e r m a lc o n d u c t i v i t y t or e d u c et h et e m p e r a t u r ea n de x t e n dt h el i f eo ft h es p i n d l em o t o r i ns u m m a r y , t h i sp a p e rs t u d i e sp r e l o a dp r o p e r t yo fh i g hs p e e da n g u l a rc o n t a c t b a l lb e a r i n g ，3 - dt h e r m a l p r o p e r t yo f m o t o r i z e ds p i n d l e t h er e s u l t sp o s s e s s i m p o r t a n tt h e o r e t i c a la n de n g i n e e r i n ga p p l i c a t i o n sf o rt h ed e s i g na n da p p l i c a t i o no f m o t o r i z e ds p i n d l e k e y w o r d s ：h i g h - s p e e dm o t o r i z e ds p i n d l e ；a n g u l a rc o n t a c tb a l lb e a r i n g ；b e a r i n g p r e l o a d ；s t r u c t u r a l t h e r m a lc o u p l e d - - f i e l da n a l y s e s ；a n s y s i v 目录 目录 摘j l e i a b s t r a c t i 目录v c o n t e n t s 1 ：i ( 第一章绪论1 1 1 课题背景1 1 2 主轴轴承预紧特性研究现状2 1 3 电主轴的热态特性研究现状3 1 4 本文的研究内容4 1 5 本文的创新点5 第二章高速电主轴热结构特性分析6 2 1 高速电主轴的典型结构6 2 2 角接触球轴承的预紧8 2 3 高速电主轴的热源9 2 4 高速电主轴的散热状态。1 0 2 5 传热理论基础1 0 2 5 1 传导传热1 0 2 5 2 对流传热1 1 2 5 3 热辐射传热1 2 2 6 电机定子油一水热交换冷却系统1 3 2 7 电主轴轴承的油一气润滑系统1 4 2 8 电主轴的热变形特性及影响1 5 2 8 1 温升对主轴的影响1 5 2 8 2 温升对主轴轴承的影响1 6 v 广东工业大学硕士学位论文 2 9 本章小结1 6 第三章滚动轴承拟动力学及性能分析。1 7 3 1 轴承内部的弹性接触1 7 3 2 角接触球轴承的运动学分析1 9 3 2 1 运动学关系1 9 3 2 2 滚动体的姿态角2 0 3 3 角接触球轴承的载荷分布2 0 3 3 1 滚动体的陀螺力矩2 1 3 3 2 滚动体的受力分析2 1 3 3 3 角接触球轴承的变形协调与受力平衡2 2 3 4m a t l a b 计算流程2 5 3 5 角接触球轴承的性能分析2 6 3 5 1 角接触球轴承滚动体的旋滚比2 6 3 5 2 角接触球轴承的刚度2 7 3 5 3 角接触球轴承的油膜厚度的计算2 8 3 5 4 角接触球轴承内部的摩擦力矩2 9 3 6 基于m a tl a b g u i 的计算程序3 4 3 7 本章小结3 4 第四章高速角接触球轴承预紧特性3 5 4 1 研究对象3 5 4 2 定压预紧主轴轴承的速度特性3 5 4 3 定位预紧主轴轴承的速度特性3 8 4 4 调压预紧主轴轴承预紧力特性4 0 4 5 在线调压预紧：4 2 4 5 1 在线调压预紧的可行性分析4 2 4 5 2 恒刚度预紧特例分析4 3 4 5 3 主轴轴承在线调压预紧结构4 5 4 6 本章小结4 6 目录 第五章高速电主轴的传热与热边界计算一4 7 5 1 高速电主轴参数4 7 5 1 1 主轴电机4 7 5 1 2 主轴轴承4 8 5 1 3 油一水循环冷却参数4 8 5 2 接触热阻与油膜热阻4 9 5 2 1 接触热阻4 9 5 2 2 油膜热阻5 0 5 3 电主轴内部的对流换热分析5 0 5 3 1 油一气润滑的对流冷却5 0 5 3 2 主轴电机定子与转子间空气隙的对流换热5 1 5 3 3 主轴端部与空气的传热5 2 5 3 4 静止表面的自然对流传热5 3 5 3 5 冷却油强制对流冷却5 3 5 4 主轴内部的热损耗5 5 5 4 1 内装电机发热5 5 5 4 2 轴承的生热5 6 5 5 本章小结5 7 第六章高速电主轴热态特性有限元分析5 8 6 1 有限元分析模型5 8 6 1 1 有限元模型处理5 8 6 1 2 模型边界5 9 6 1 3 接触的设置5 9 6 1 4 高速轴承“静拟动 处理6 1 6 1 5 对流换热的设置6 1 6 1 6 辐射的设置6 2 6 1 7 内部热耗的设置6 3 6 1 8 结构分析边界6 3 6 2 高速电主轴温度场特性分析6 4 v i i 广东工业大学硕士学位论文 6 2 1 电主轴散热与温度场特性6 4 6 2 2 电主轴主要部件的温度场特性6 5 6 3 主轴热变形特性分析7 0 6 4 主轴轴承预紧特性变化规律分析7 1 6 5 强制对流冷却对电主轴热特性的影响分析7 4 6 5 1 冷却液流量的影响7 4 6 5 2 油一气润滑压缩空气流量的影响7 5 6 6 提高高速电主轴热稳定性的措施7 6 6 6 1 减少高速电机的生热7 6 6 6 2 合理的主轴轴承润滑和预紧技术7 6 6 6 3 加强散热7 6 6 6 4 热变形补偿7 7 6 7 热态特性研究分析的实验对比7 7 6 8 本章小结7 8 j l i i 7 9：日- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 考文献8 1 读学位期间发表的论文8 5 创性声明8 6 谢。8 7 v i l l 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 i c o n t e n t s ( i nc h i n e s e ) v c o n t e n t s i x c h a p t e r li n t r o d u c t i o n 1 1 1b a c k g r o u n d 1 1 2s t a t u so ft h er e s e a r c ho nb e a r i n gp r e l o a d 2 1 3s t a t u so ft h er e s e a r c ho nm o t o r i z e ds p i n d l et h e r m a lp r o p e r t y 3 1 4m a i nc o n t e n t so ft h i sd i s e r t a t i o n 4 1 5i n n o v a t i v e 5 c h a p t e r 2h i g hs p e e dm o t o r i z e ds p i n d l et h e r m a l - s t r u c u t u r ep r o p e r t y 6 2 1t h ec l a s s i c a ls t r u c t u r eo fh i g hs p e e dm o t o r i z e ds p i n d l e 6 2 2t h ep r e l o a ds t r u t u r eo fa n g u l a rc o n t a c tb a l lb e a r i n g 8 2 3t h e r m a ls o u r c e so fh i g hs p e e dm o t o r i z e ds p i n d l e 9 2 4t h eh e a td i s s e m i n a t i o no fh i g hs p e e dm o t o r i z e ds p i n d l e 10 2 5b a s i so fd i a t h e r m a n e i t yt h e o r e t i c s 1 0 2 5 1h e a tc o n d u c t i o n 10 2 5 2h e a tc o n v e c t i o n 11 2 5 3h e a tr a d i a l i z a t i o n 1 2 2 6o i l w a t e rc o o l i n gs y s t e m 13 2 7o i l - a i rl u b r i c a t i o ns y s t e m 1 4 2 8t h e r m a ld i s t o r t i o no fh i g hs p e e dm o t o r i z e ds p i n d l ea n di t si n f l u e n c e s 15 2 8 1t h ei n f l u e n c eo ft e m p e r a t u r er i s eo nt h es p i n d l e 1 5 2 8 2t h ei n f l u e n c eo ft e m p e r a t u r er i s eo nb e a r i n g s 1 6 i x 广东工业大学硕士学位论文 2 9c h a p t e rs u m m a r y 16 c h a p t e r 3q u a s i - d y n a m i c sa n dp e r f o r m a n c ea n a l y s i so fb e a r i n g s 17 3 1f l e x i b l ec o n t a c ti nt h eb e a r i n g 17 3 2k i n e m a t i c sa n a l y s i so ft h eb e a r i n g 2 19 3 2 1k i n e m a t i c sr e l a t i o n s h i po fe l e m e n t si nt h eb e a r i n g 1 9 3 2 2t h ea t t i t u d ea n g l eo fb a l l s 2 0 3 3l o a dd i s t r i b u t i o ni nt h ea n g u l a rc o n t a c tb a l lb e a r i n g 2 0 3 3 1t h eg y r o s c o p i ct o r q u eo f b a l l s 2 1 3 3 2t h eb a l a n c eo ff o r c e so nb a l l s 2 1 3 3 3t h ed i s t o r t i o na n df o r c e sb a l a n c ea n a l y s i so ft h eb e a r i n g 2 2 3 4c h a r to fm a t l a bc o m p u t a t i o n a lf l o w 2 5 3 5t h ep e r f o r m a n c ea n a l y s i so fa g u l a rc o n t a c tb a l lb e a r i n g 2 6 3 5 1t h er a t i oo fs p i nt or o l lo f b a l l s 2 6 3 5 2b e a r i n gr i g i d i t y 2 7 3 5 3t h i c k n e s so fo i lf i l mi nt h ea n g u l a rc o n t a c tb a l lb e a r i n g 2 8 3 5 4f r i c t i o nt o r q u ei nt h ea n g u l a rc o n t a c tb a l lb e a r i n g 2 9 3 6t h ec o m p u t e rp r o g r a mb a s e do nm a t l a bg u i 3 4 3 7c h a p t e rs u m m a r y 3 4 c h a p t e r 4a n a l y s i so fp r e l o a dp r o p e r t yo nh i g hs p e e db e a r i n g s 3 5 4 1o b j e c t s 3 5 4 2s p e e dp r o p e r t yo fc o n s t a n tp r e l o a ds t r u c t u r e 3 5 4 3s p e e dp r o p e r t yo ff i x e dp o s i t i o np r e l o a ds t r u c t u r e 3 8 z i 4p r o p e r t yo fa c t i v ep r e l o a ds t r u c t u r e 4 0 4 5 4 6 c o n t e n t s c h a p t e r 5c a l c u l a t i o no fd i a t h e r m a n e i t ya n dt h e r m a lb o u n d a r y 4 7 5 1m a i np a r a m e t e r so ft h eh i g hs p e e dm o t o r i z e ds p i n d l e 4 7 5 1 1f r a m e l e s sm o t o r 4 7 5 1 2b e a r i n g s 4 8 5 1 3o i l w a t e rs y s t e m 4 8 5 2t h et h e r m a lr e s i s t a n c eo ft h ec o n t a c tb o u n d a r ya n do i lf i l m 4 9 5 2 1t h et h e r m a lr e s i s t a n c eo ft h ec o n t a c tb o u n d a r y 4 9 5 2 2t h et h e r m a lr e s i s t a n c eo ft h eo i lf i l m 5 0 5 3a n a l y s i so fh e a tc o n v e c t i o ni nt h em o t o r i z e ds p i n d l e 5 0 5 3 1t h ec o o l i n ge f f e c t i o no fo i l a i rc o n v e c t i o n 5 0 5 3 2t h ec o o l i n ge f f e c t i o no fa i rc o n v e c t i o ni nt h eg a p o ft h em o t o r 51 5 3 3t h ec o o l i n ge f f e c t i o no fa i rc o n v e c t o nn e a rt h ee n do fs p i n d l es u r f a c e 5 2 5 3 4n a t u r a lc o n v e c t i o no ns t a t i cs u r f a c eo ft h es p i n d l e 5 3 5 3 5t h ec o o l i n ge f f e c t i o no ft h eo i l w a t e re n f o r c e dc o o l i n gs y s t e m 5 3 5 4h e a tg e n e r a t i o ni nt h em o t o r i z e ds p i n d l e 5 5 5 4 1t h eh e a tg e n e r a t i o no ft h ef r a m e l e s sm o t o r 5 5 5 4 2t h eh e a tg e n e r a t i o no fb e a r i n g s 5 6 5 5c h a p t e rs u m m a r y 5 7 c h a p t e r 6f e a o ft h e r m a lp r o p e r t yo ft h eh i g hs p e e dm o t o r i z e ds p i n d l e 5 8 6 1t h e3 dm o d e lo ff e m 5 8 6 1 1m o d e l 5 8 6 1 2t h eb o u n d a r i e so ft h em o d e l 5 9 6 1 3t h es e t u po fc o n t a c t 5 9 6 1 4t h es e t u po f s t a t i cs i m u l a t e dd y n a m i c ”i nb e a r i n g s 6 1 6 1 5t h es e t u po fc o n v e c t i o n 6 1 6 1 6t h es e t u po fr a d i a t i o n 6 2 6 1 7t h es e t u po fh e a tg e n e r a t i o n 6 3 6 1 8t h es e t u po fs t r u c t u r eb o u n d a r y 6 3 x i 广东工业大学硕士学位论文 6 2t h e r m a lf i e l do ft h em o t o r i z e ds p i n d l e 6 4 6 2 1d i a t h e r m a n e i t ya n dt e m p e r a t u r ef i l e do ft h em o t o r i z e ds p i n d l e 6 4 6 2 2t e m p e r a t u r ef i l e d so f i m p o r t a n tc o m p o n e n t s 6 5 6 3 t h et h e r m a ld i s t o r t i o no ft h em o t o r i z e ds p i n d l e 7 0 6 4t h ep r e l o a dd i s t r i b u t e i o nv a r i e t yr u l eo f b e a r i n g s 7 1 6 5t h ei n f l u e n c eo fc o m p u l s i v eh e a tc o n v e c t i o n 7 4 6 5 1t h ei n f l u e n c eo fc o o l i n gf l u i d 7 4 6 5 2t h ei n f l u e n c eo fa i r f l o w 7 5 6 6am e a s u r eo f i m p r o v i n gs t a b i l i t yo ft h eh i g hs p e e dm o t o r i e ds p i n d l e 7 6 6 6 1r e d u c t i o no ft h eh e a tg e n e r a t i o no ft h ef r a m e l e s sm o t o r 7 6 6 6 2r a t i o n a ll u b r i c a t i o n & p r e l o a do fb e a r i n g s 7 6 6 6 3e n h a n c ed i a t h e r m a n e i t y 7 6 6 6 4c o m p e n s a t i o no ft h eh e a