开题报告-电主轴-轴承特性试验台设计.doc

开题报告电主轴-轴承特性试验台设计开题报告 班级 机械1106 ( 姓名 指导教师 1、 综述 1.1研究意义 电主轴是数控机床的核心功能部件，其性能的好坏在很大程度上决定了机床的加工精度和生产效率。随着数控机床向着高速度、高效率、高精度等方向发展，电主轴在工作时除了应具有很高的转速和刚度外，还应在极短的时间内实现升速、降速，并能在指定的位置处快速准停的能力，这就需要电主轴还应具有很高的可靠性和稳定性。轴承是实现电主轴高速化和精密化的关键部件，其性能直接影响电主轴的转速、刚度、振动、工作温度等，进而影响机床的加工精度和稳定性。电主轴轴承的性能、使用寿命对电主轴的工作性能有着重要影响。 轴承试验是评估轴承性能和寿命较为有效可靠的方法，是轴承从设计到装机使用之间的一个重要环节。普通的滚动轴承试验台不能很好满足电主轴陶瓷球轴承的要求及模拟其实际工况或极限工况。目前，电主轴轴承的试验大多是随电主轴在空载条件下一同进行整机试验，这种方法却不足以反映电主轴实际工作时的载荷、转速变化情况对轴承产生的影响。因此，迫切需要研制专门的电主轴轴承试验装置来对电主轴轴承的性能进行研究。 本文根据电主轴陶瓷球轴承的实际工况和运转特点，研制一种功能多样、操作方便，集机械、电子和计算机于一体的高速电主轴轴承试验台，以实现模拟电主轴轴承的润滑情况、散热条件以及高速加工时的径向切削分力和轴向切削分力 1.2 研究现状 1.2 主轴轴承系统研究概况 为了提高主轴及主轴轴承的动态性能，国内外同行进行了深入而全面的研究，涉及转子动力学、材料学、力学和摩擦学等多种学科。 1.2.1 主轴轴承系统动态特性研究内容 (1) 主轴轴承系统的发展 主轴-轴承系统早期结构较为简单，即有两套轴向预紧面对面配置的圆锥滚子轴承支撑，可以承受较大的径向和轴向载荷。同时，摩擦造成主轴热位移使接触载荷迅速增大，主轴的速度受到限制。因此，高速场合已经应用很少。 1955 年，SKF 公司使用了著名的主轴-轴承系统。径向载荷采用双列圆柱滚子轴承支撑，通过施加径向预紧载荷消除径向游隙；轴向外载靠双向推力角接触球轴承支撑，并施加轴向预紧。主轴的热位移靠传动端安装的双列圆柱滚子轴承的轴向移动来消除。此种主轴-轴承系统刚性好，但同时速度也是受限的。 上世纪 90 年代开始，主轴-轴承系统得到进一步改进如图 1-1，支撑方式更加灵活，配对方式更加多样，采用双联、三联甚至四联配置的轴承组以适应不同刚度性能的要求。定压预紧、定位预紧等，适应不同的速度和刚性要求。 (2) 主轴轴承的发展 主轴轴承早期使用圆柱滚子轴承和双向推力角接触球轴承以提高速度性能，但刚性较差。后采用多联配置可以克服这一缺点。配对轴承组有 DT(2 个轴承串联)、DB(背对背)、DF（面对面）、TT(3 个轴承串联)、TBT(3 个轴承，含有背对背的串联)、TFT（3 个轴承，含有面对面的串联）、QT(4个轴承串联)、QFC(4 个轴承，成对串联的面对面方式)、QBC(4 个轴承，成对串联的背对背方式)、QBT(4 个轴承，含有背对背的 3 个串联)、QFT(4 个轴承，含有面对面的 3 个串联)等形式，如图(a)、(b)。背对背安装支承跨距大，轴悬臂时刚性好，轴受热伸长时内、外圈脱开趋势，因而轴不会卡死，使用广泛。面对面安装排列方式结构简单 装拆 调试方便。主要用于短轴和温升不高的场合。串联场合当轴向载荷较大时，需要多个轴承同时承受，串联起来。随着轴承精度的不断提高，万能配对也广泛使用起来。 a)两个轴承的组配形式 b）三个轴承的组配形式 1.2.2 陶瓷球轴承性能研究及应用现状 陶瓷球轴承可分为全陶瓷球轴承和混合陶瓷球轴承两类。全陶瓷球轴承是指所有轴承零件全部都有陶瓷材料制成。混合陶瓷球轴承又可以分为 3 种：球用陶瓷材料，其余仍有金属材料的轴承；球与内圈均用陶瓷材料，而外圈仍有金属材料的轴承；球与外圈均用陶瓷材料，而内圈仍有金属材料的轴承。 随着陶瓷材料的开发与应用，陶瓷球轴承得到了快速发展。20 世纪 70 年代至 80 年代末，研究人员主要对氮化硅陶瓷材料的球轴承的进行性能试验研究。Dalal 和 Chiu 对热压氮化硅的各种性能作了一系列试验，结果表明氮化硅是一种可湿润，且能使润滑油在轴承中形成适当油膜厚度的材料。Dee 等对混合轴承与钢轴承的性能对比试验，认为混合轴承在适当条件下，使用寿命比钢轴承寿命长，且对比氮化硅滚动体来说，滚动体表面加工质量的好坏其疲劳寿命、耐腐蚀性有很大的影响。Aramaki 等对钢制轴承和混合陶瓷轴承进行了性能对比研究，表明混合陶瓷轴承产生的热量仅为钢制轴承的 80%，在运行中氮化硅陶瓷球产生的离心力和陀螺力矩都比钢球小，混合陶瓷球轴承的耐无润滑环境的能力较强，极限转速较高。 20世纪90年代后，国内外研究人员对陶瓷轴承的各种性能和应用进一步展开研究。Rhoads等经试验发现，在相同的条件下，氮化硅陶瓷球比同尺寸钢球的破坏概率小；在不润滑或润滑不良的情况下，混合陶瓷球轴承比钢制球轴承的运行状态好。Chiu等对混合陶瓷球轴承进行了重载疲劳和高速性能试验研究，结果表明在赫兹应力为2.6MPa时，混合陶瓷球轴承运行8002170小时后仍处于良好状态。李建华等进行了陶瓷球轴承的性能分析与试验研究，结果表明陶瓷球轴承的旋滚比、高速动态力矩、发热量和工作温度均小于钢制球轴承，且刚度大。古乐等经试验发现混合式轴承中球的离心力不到钢轴承球的l/2，陀螺力矩和旋滚比也远小于全钢轴承。Xu等研究了高速陶瓷球轴承动态特性，结果表明轴承动态特性主要取决于转速和高速球材料性能；陶瓷球轴承接触应力、变形量比钢制轴承小，轴向和径向刚度及稳定性比钢制轴承高。黄宗响在F1603型转杯纺纱机上对陶瓷球混合轴承与钢制轴承进行了运转对比，结果表明陶瓷球混合轴承比传统的钢制轴承轴承工作温度降低30，噪声降低2dB，使用寿命提高5倍。白越等对脂润滑姿控飞轮上进行陶瓷轴承和钢制球轴承对比试验，结果表明陶瓷球轴承在静态摩擦力矩及功耗方面性能优良，陶瓷轴承脂润滑姿控飞轮使用寿命优于4年。He等探讨了混合陶瓷球轴承的接触应力、轴向和径向预加载，并进行与钢制轴承与混合陶瓷理论和试验研究，结果表明混合陶瓷球轴承是更适合于高速及重负荷的电主轴。 目前，国际上基本完成了陶瓷轴承的试验工作，并且已进入工业化生产阶段。陶瓷轴承已成功地应用于高速机床的主轴中，并已进入实用化阶段。日本牧野等公司生产的 HPM 型超精密车床等，装有混合陶瓷球轴承的电主轴转速为 16000r/min，而美国 MIKRO 公司生产的 HSM700 高速加工中心，装有混合陶瓷球轴承的电主轴转速已达到 42000r/min，切削速度提高了 510 倍。此外，研究人员还对陶瓷球轴承应用于真空泵、电动机、变速箱、牙科、钻孔机、直升机、混流式涡轮增压器、喷气涡轮发动机等展开了研究，并在实际应用中取得了很好的效果。据统计，国际上陶瓷轴承的应用量已达 2000 万套。 1.2.3滚动轴承试验台研究现状 轴承试验是评估轴承性能和寿命较为有效可靠的方法，是轴承从产品设计到装机使用之间的一个重要环节，但是滚动轴承装机试验存在周期长、费用大、再现性较差，以及难以进行承载极限能力的考核等不足之处。因此，国内外学者和轴承生产企业均致力于滚动轴承试验台的研究。 相对于SKF、NSK、NTN、INA/FAG、TIMKEN等国外轴承公司，我国轴承试验研究起步较晚、规模较小。20世纪早期，我国轴承行业一直沿用前苏联的ZS型轴承寿命试验机进行轴承试验，该试验机测试精度低，加载系统稳定性差，及不能自动监控。后来为了满足试验发展需要，各轴承科研及生产单位先后引进和自主开发了一些新型轴承测试设备，填补了国内某些轴承测试领域的空白。上海微型轴承厂自行研制的微型电机轴承试验机。杭州轴承试验研究中心研制了新一代自动控制B10-60R滚动轴承疲劳寿命强化试验机及改进的ABLT型系列轴承寿命强化试验机。 20世纪90年代以后，轴承试验机类型逐步扩大，常规的轴承寿命试验机试验轴承内径为2180mm，最大径向试验载荷可达500kN，最大轴向试验载荷可达300kN，试验转速可达160048000r/min。如洛阳轴研科技股份有限公司先后开发了一系列轴承专用试验机，如TA8-30NT汽车发电机轴承试验机、T30-90N轴承极限转速试验机、T30-90NT轴承高速高温性能试验机。TA8-30NT汽车发电机轴承试验机试验轴承的内径为830mm，最高转速为36000r/min，最大径向载荷为2KN，最大轴向载荷为1KN；T30-90N轴承极限转速试验机和T30-90NT高速高温性能试验机试验轴承的内径为3090mm，最高转速为32000r/min，最大径向载荷都为5KN。这些试验机可以实现变载变速，通过设定转速谱载荷谱来控制调节试验轴承的试验转速和载荷，但它们所试验的对象都是一些低载荷下的小轴承。 随着科学技术的发展，高速电主轴、变频调速控制技术和计算机控制技术的引入，实现了自动监控、自动记录、多机群控、故障模拟再现等，使轴承试验台进入了一个全新的发展阶段。张锡昌设计了一台超高速高温轴承试验机，电主轴提供动力，试验轴承同时承受动态的径向载荷和静态的轴向载荷，实行喷油润滑，转速可达到140000r/min。无锡机床股份有限公司研制了一种高速电主轴轴承性能综合试验台，转轴的一端与高频电主轴连接，另一端伸入壳体内，能够实现轴向加载，可开展电主轴用钢制轴承或陶瓷轴承在脂润滑、油润滑、油雾润滑和油气润滑等润滑方式下的润机理与延长寿命的技术研究。湖南省农机研究所为了配合于教学研制了一种机、电、仪一体化的滚动轴承试验台，实现了手动轴向加载和径向加载，还可以进行应力、载荷、轴承外圈温度变化等参数的测量和记录，具有结构简单、使用方便、试验参数多、可操作性强等优点。丁华设计了一台轴承性能试验机，由高频电机提供动力，高频电机内部布置了试验轴承，最高转速60000r/min，实现了手动轴向加载，可应用于多种滚动轴承在不同转速下的性能试验。蒋书运设计了一种角接触轴承疲劳寿命试验台，由变频器实现高频电机无级变速，采用砝码调节加载轴向预紧力，可开展各种转速、载荷工况下的角接触球轴承疲劳寿命试验，实现了零传动和杠杆加载，最高转速可达到90000r/min。 二、研究内容 本文根据电主轴轴承实际工况和运转特点，研制一台功能多样、集机械、电子和计算机于一体的主轴-轴承试验台，以实现电主轴轴承的润滑情况、散热条件以及高速加工时的径向切削分力和轴向切削分力，并在该试验台上进行电主轴轴承的性能试验研究。本文的主要研究内容如下： 1.分析电主轴陶瓷球轴承的实际工况和运行状态，制定试验台的设计要求及功能要求，进行试验台的总体方案设计； 2.进行试验台的结构设计。主要包括试验台总体结构设计、轴系设计、驱动系统设计及加载系统设计； 3.利用传感器对被测试轴承的工作温度，震动，以及模态进行数据采集，并采用LabView 软件对所采集数据进行分析，并可视化。 3、 实现方法及预期目标 3.1实验台的总体设计方案 3.1.1实验台的设计要求 根据电主轴轴承的实际工况和运转特点，本文制定高速电主轴陶瓷球轴承试验台的设计要求如下： 1.试验台转速范围为 300060000r/min，测量精度0.5F.S，且无级可调； 2.试验轴承拟采用7212C型混合陶瓷角接触球轴承作为实验轴承，的内径为 25mm、外径为 47mm、宽度为 12mm，润滑方式为油雾润滑或脂润滑，且被循环水冷却； 3.根据试验轴承内径范围 1030mm，可更换不同类型的试验轴系组件； 4.径向载荷和轴向载荷范围为 02000N，测量精度0.5F.S，且连续可调； 5.温度测量范围为 0300，测量精度2； 6.振动测量范围为 050g，测量精度2； 8.试件应拆装简单，操作方便。 3.1.2 实验台的功能要求本文设计的试验台是为了模拟陶瓷球轴承在电主轴中的工作情况，以便对陶瓷球轴承进行试验研究，为其设计改进及应用提供试验依据。在调研现有滚动轴承试验台的性能和功能基础上，结合滚动轴承技术、测试与控制技术、信号处理技术、计算机技术等，本文制定试验台的功能要求如下： 1.能够模拟轴承在电主轴中散热条件及高速加工时所受的切削力； 2.实现实时监测试验参数，如轴承转速、载荷、温度、振动等，并对试验参数进行实时显示、处理和存储。同时实现转速、载荷、温度及振动以曲线或图表的形式输出； 3.能够对试验轴承进行高速性能、耐久性和寿命等试验。 3.2实验台的结构设计 总体方案设计是设计过程中极其重要的一部分，是产品设计的关键。本文在分析电主轴陶瓷球轴承的运行状态以及极限工况的基础上，根据试验台的设计要求及功能要求，确定了电主轴陶瓷球轴承试验台总体方案。高速电主轴陶瓷球轴承试验台由试验台主体、驱动系统、加载系统等组成。 总体结构框图 3.2.1总体 试验台通轴联器与驱动装置连接起来，由电动机提供动力，为试验提供所需的转速。轴向载荷通过轴向加载组件加载到试验轴承外圈上，径向载荷通过径向加载组件加载到轴承套上，再通过主轴将径向载荷传递到左、右两端试验轴承上。 3.2.2 轴系的设计 轴系是试验台的机械核心部件，其结构合理与否将直接影响轴承试验的可靠性和试验台的工作特征。根据试验轴承的布置情况，轴系可采用悬臂式和对称式两种结构形式。本次设计我们选择对称式，这样轴系结构受力状态较好，易于实现高转速。 轴承分布（对称式）示意简图 3.2.3主轴的校核 主轴是本试验台设计的关键零件之一，其工作性能的好坏将决定轴承试验的成败。为了对主轴的强度、刚度和振动进行较为准确的校核，本节采用仿真软件ANSYS10.0 对主轴进行建模，利用软件来完成相关计算。 3.2.3驱动系统设计 驱动系统是试验台运转的动力之源，驱动部件及其控制装置的选择是否合理，是关系到整个试验台能否达到预定功能要求的重要一环。 驱动部分 A 如图主要由电机 3、第一带轮 2、V 带 1、第二带轮 6、传动轴 5、联轴器 7、带座调心轴承 4。2 个带座调心轴承 4 使得带拉力不作用在轴上，减小了轴的挠度并且提高了轴的旋转精度。联轴器将转速和扭矩传递到主轴上。驱动部分通过变频器可以改变传到主轴上的转速，进而影响轴承发热和温升。 驱动部分构想图 3.2.4 加载系统设计 3.2.4.1 加载方式确定 常用的加载方式有机械加载、电加载和液压加载等46-48，在一定程度上都能实现加载要求。但不同加载方式的性能不一样，也各有优缺点，应根据实际加载要求综合考虑。 本试验台加载系统的要求是能对电主轴轴承施加 02000N 的轴向和径向载荷，且加载力是连续变化的，因此不能选择机械加载方式。另外，试验台还要求操作方便，测量精度0.5F.S，设备尽可能体积小、重量轻，故选用液压加载方式。 3.3数据采集及分析 3.3.1 传感器选择 3.3.1.1 温度传感器的选择 温度传感器应用较为广泛，且有各种类型。较为常用的有热电偶、热电阻、热敏电阻等50。 本文所用的温度传感器是用于测量轴承的温度。为了方便及精确测量，应选择体积小、重量轻、响应速度快、耐油温高、准确度及灵敏度高的温度传感器。经过对比各种传感器的优缺点，选用Pt100铂电阻一体化温度传感器。 3.3.1.2 振动传感器的选择 振动传感器在振动测试技术中是关键部件之一。根据被测振动参数的不同，振动传感器可以分为速度传感器、加速度传感器、位移传感器等。 我国轴承行业主要选用的是加速度振动传感器。其中压电式加速度传感器频带宽、动态范围广、性能稳定、重量轻、体积小等特点，而且具有足够的灵敏度，在振动测量中应用较广。 压电加速度传感器示意图 3.3.2 LabView 软件分析 本次设计主要是针对滚动陶瓷球轴承的工作特性的测试，所以首先我们要测得点击的转速，加载装置的读数，以及预紧力，这些可以通过传感器的采集，直接在程序中显示；振动和模态等数据需要经过传感器采集经过设计的LabVIEW软件进行分析，这也是本次设计的最大难点。四、对进度的具体安排第0102周 动员，安排任务。准备计算机、软件；调研，查阅资料。第0304周 写开题报告，第0506周 完成总体设计和结构设计，准备ANSYS分析第0708周 利用ANSYS完成轴系校核，完成试验台其他结构设计第0910周 思考选用的数据采集设备，并用LABVIEW实现数据的处理与可视化第10周 思考与总结，着手写毕业论文第12周 完成全部毕业论文的撰写5、 参考文献 1 林彩梅. 陶瓷轴承在高速机床中的应用研究J. 设计与研究，2010，(3)：1718、29. 2 吴玉厚. 数控机床电主轴单元技术M. 机械工业出版社，2006，13. 3 王松涛. 典型机械结合面动态特性及其应用研究. 昆明理工大学硕士学位论文，2007. 4 Guo Yi , Robert G. 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