（机械制造及其自动化专业论文）高速电主轴滚动轴承油气两相流润滑试验研究.pdf

高速电主轴滚动轴承油气两相流润滑试验研究 硕士研究生：王志坤导师：蒋书运副教授 ( 东南大学) 摘要： 主轴系统是机床的核心功能部件。随着机床向高速高精度方向的发展，对主轴系统的性能要求 越来越高。本课题结合江苏省十五科技攻关项目( b e 2 0 0 4 0 2 5 ) 和江苏省的自然科学基金项目 ( b k 2 0 0 2 0 5 9 ) ，对磨床用高速电主轴轴承进行了系统地油气润滑试验研究，旨在为电主轴摩擦学设 计提供重要参数，同时分析了锥孔双列短圆柱滚予轴承的动态特性。 研制了高速电主轴滚动轴承油气润滑机理试验台，从润滑油种类、润滑油量和油气压力等因素 的角度，系统地开展了磨床用高速电主轴角接触滚动轴承的油气润滑试验研究：进行了3 0 号机械 油在8 0 0 0 r p m 转速下的单因素油气润滑试验；采用正交试验方法，油气润滑参数，以润滑油类型( 粘 度) 、润滑油量和油气压力等为因素，研究了在1 0 0 0 0 r p m 、2 0 0 0 0 r p m 和3 0 0 0 0 印m 转速下对轴承外 圈温升的影响，考察电主轴的多种润滑状态；进行了3 2 号抗磨液压油在3 0 0 0 0 叩m 转速下，以油气 压力和润滑油量为因素的完全试验；进行了4 6 号和6 8 号( 大粘度) 抗磨液压油的不完全试验。通过 对试验结果的分析，得出各种油气润滑参数对轴承温升影响的规律，确定最佳油气润滑参数的搭配， 并修正了轴承的s k f 润滑系数。 以锥孔双列短圆柱滚子轴承为对象，根据滚动轴承分析理论完成其动态特性分析。基于 m a t l a b 工具开发了一套有自主知识产权的锥孔双列短圆柱滚子轴承动特性分析软件，并结合 3 1 8 2 1 2 0 型孔双列短圆柱滚子轴承，在1 5 0 0 0 r p m 的范围内分析了径向刚度与转速、径向预紧与外加 径向载荷等因素之间的非线性关系。研究表明：由于离心力的存在，锥孔双列短圆柱滚子轴承的径 向刚度随着转速的提高呈非线性软化现象。基于滚动轴承理论研发的锥孔双列短圆柱滚子轴承动特 性分析软件可望为主轴部件甚至机床的动态设计提供有力的工具。 关键词：电主轴，滚动轴承，油气润滑，双列短圆柱滚子轴承，动态特性 e x p e r i m e n t a lr es e a r c ho n o i la i rt w op h a s el u b i u c a t i o no fh i g h s p e e dm o t o r i z e ds p i n d l er o l l i n g b e a r i n g 、7 v a n gz h i - k u nj i a n g s h u - y u n ( s o u t h e a s tun i v e r s i t y ) a b s t r a c t ： s p i n d l es y s t e mi st h ek e yf u n c t i o n a lc o m p o n e n to fm a c h i l l et 0 0 1 w i t ht h em a c h i n et o o ld e v e l o p i n g t o w a r d sh i g h e rs p e e da n dp r e c i s i o n ，t h em a n u f - a c t u r i n g i n d u s t 拶c o m m a n d sm o r ea n dm o r eh i g h e r c h a r a c t e r i s t i c st ot h es p i i l d l es y s t e m i nt h i sp a p e r ，t h ed y n a m i cc h a r a c t e r i s t i co ft h ed o u b i er o wc y l i n d r i c a l r 0 1 l e rb e a r i n gw i t ht a p e rh 0 1 eh a sb e e na n a l y z e d as e r i e so fe x p e r i m e n t so 订a i ll u b r j c a t i o nf o rt h eh i g h s p e e dm o t o r i z e ds p i n d l eh a v e b e e ns t u d i e d ，p r o v i d i n gt h et h e o r e t i c a lg u i d e st om a n u 蠡l c t u r i n ga n d p r o m o t i n gt h et h e 0 巧s t u d yo ft h eo i la i rl u b r i c a t i o n u s i n gt h eo i la i rl u b r i c a t i o nt e s te q u i p m e n td e s i g n e db yo u r s e l v e s ，as e r i e so fo i la i r1 u b r i c a t i o n e x p e r i m e n t a t i o n sf o rh i g hs p e e dm o t o r i z e ds p i n d l eu s e di n 黟i n d i n gm a c h i n et o o lh a v eb e e np e r f o m e d ： t h es i n g l ef 如t o re x p e r i m e n t a t i o n sh a v eb e e nc o m p l e t e dw i t h3 0 捍o i l b y8 0 0 0 0 r p m b yt h em e a n so f o r t h o g o n a lm e t h o d ，t h ee x p e r i m e n t a ls t u d yo nt h ep a r a r l l e t e r so fo i l a i r1 u b r i c a t i o ns u c ha st h et ) ，p eo f 1 u b r i c a n to i l ，t h eq u a n t i t yo fo i l ，t h ep r e s s u r eo fo i l a i r ，t h ea x i a lf o r c eo fp r e l o a do nb e a r i n ga n do nt h e r e l a t i o n sb e t w e e nt h e mw i t ht h ec h a n g eo f b e a r i n gr o t a t i n gs p e e d s t h er e l a t i o no fe v e r yk i n do ft h eo i l a i r p a r a m e t e r sa f r e c t i n go nt h et e m p e r 砷呱ea r i s i n go ft h eb e a r i n gw a so b t a i n e d s ot h a tt h eb e s tc o n s t i t u t eo f t h eo i l - a i rp a r 啪e t e rh a sb e e nd e t e m i n e d a l s o ，t h el u b “c a t i n gc o e 伍c i e n th a sb e e nm o d i f i e d t h es t i f f h e s sc h a r a c t e r i s t i co ft h ed o u b l er o wc y l i n d r i c a lr o l l e rb e a r i n gw i t ht a p e rh o 】eh a l sb e e n s t u d i e db yu s i n gt h er o l l i n gb e a r i n ga j l a l y s i st h e o 可as o 胁a r eh a sb e e nd e v e l o p e dw i t hm a t l a b t o o lt o a n a l y z et h ed y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c so f t h eb e a r i n g t a k i n gt h et ) ，p eo f318 2l2 0b e a u r i n ga sa 1 1e x 锄p l e ，t h e n o n l i n e a rr e l a t i o nb e 似e e nt 1 1 er a d i a ls t i 鲕e s so ft h eb e 撕n gw i t ht h ep a r 锄e t e r so ft h eb e a r i n gs u c ha st h e r o t a t i o n a ls p e e d ，t h er a d i a lt i g h t e n i n ga n dt h er a d i a ll o a dh a sb e e na n a l y z e du pt ot h er o t a t i o n a ls p e e d 10 0 0 0r p m t h er e s u l ts h o w st h a tt h er a d i a ls t i h n e s si n t e n e r a t e sn o n l i n e a r l yw i t ht h er i s i n go fr o t a t i n g s p e e do w i n gt ot h ec e n t r i f u g a lf o r c e t h i ss o a w a r ef o ra n a l y z i n gt h ed y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c so ft h ed o u b l e r o wc y l i n d r i c a lm l l e rb e a r i n gw i t ht 印e rh o l ec a nb ee x p e c t e dt ob eap o w e r 如l t o o lf o rd y n a m i cd e s i g no f m a c h i n et o o l l ( e yw o r d s ：m o t o r i z e ds p i n d l e ，r o l l i n gb e a r i n g ， d y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c s o i la i rl u b r i c a t i o n ，d o u b l er o wc y l i n d r i c a lr 0 1 l e rb e a r i n g ， i i -j k，f h v 4re_l_- 学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用 过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明 并表示了谢意。 签名：王莛；计日期：猫；上 关于学位论文使用授权的说明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的 复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内 容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可 以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研究生 院办理。 签名：幽导师签名期：w 乡。 第一章绪论 1 1 课题研究的目的和意义 第一章绪论 1 1 1 高速电主轴油气润滑研究 在高速运转情况下，一般的脂润滑、油润滑很难保证轴承的润滑效果。油雾润滑由于其效率低 及对环境特别是身体健康的严重危害性，较少应用于高速电主轴。油气润滑技术是将少量的润滑油 不经雾化而直接由压缩空气定时、定量地沿着专用的油气管道壁均匀地被带到轴承的润滑区。润滑 油起润滑的作用，而压缩空气起推动润滑油运动及冷却轴承的作用。油气始终处于分离状态，这有 利于润滑油的回收，而对环境却没有污染。油气润滑对喷嘴的位置有严格的要求，润滑效果还受到 空气流量和油气压力等因素的影响。 油气润滑的特点是：1 ) 可以准确地控制油量和气量，并且易于调节，从而可保持润滑点处于 最佳润滑状态；2 ) 可同时对多个轴承进行润滑，并能单独调节每个润滑点的润滑参数；3 ) 油气润 滑设备本身对润滑油无特殊要求( 如可以输送粘度很高的润滑油) ；4 ) 压缩空气可对润滑点起到冷 却，防尘，防有害气体等作用，因此可用于恶劣工作环境的润滑点。 油气润滑具有诸多优点，但是不同的润滑油种类和不同的润滑参数，其润滑效果是不同的。本 课题结合磨削高速电主轴用、型号为h y s m 6 0 0 6 c t a p a 角接触球轴承，研究油气润滑系统参数( 如 润滑油种类、润滑油量、油气压力和油气管道等) 、轴承转速、轴承预紧力等参数的变化对轴承外 圈的温度影响，得出一系列温度与这些参数之间的对应关系，从而可以绘制相应的关系曲线。以温 度为评价油气润滑效果的指标，经分析可以得出在不同的转速及预紧力情况下，滚动轴承的最佳油 气润滑参数。 1 1 2 滚动轴承动态刚度的研究 机床各部件具有良好的动态性能是整机具有良好动态性能的基础。主轴部件是机床最重要的部 件之一，在它的前端安装刀具或工件，直接参与切削加工，对机床的加工精度、表面粗糙度和生产 率影响很大。为了保证主轴部件良好的性能，理论分析、设计、加工和使用时的润滑条件等每一环 节都至关重要。本课题从主轴系统刚度特性的理论分析和高速下的主轴轴承的润滑两个关键角度对 主轴系统进行了研究。 据相关研究，中型机床在不同激振频率的动载荷作用下，各部件反映在刀具与工具切削处的综 合位移中，主轴部件所占的比重最大f 1 】。而加工工业正向着高速高精度方向发展，因此研究主轴系 统零件的动态性能尤为重要。 主轴系统的动态性能包括主轴各阶临界转速( 特别是一阶临界转速) 、各阶主振型，主轴前端 在切削部位的激振点动刚度等。影响主轴系统的动态性能的因素有很多，包括主轴本身的参数、支 撑主轴的轴承预紧力及刚度、刀具组件参数等。 传统上，在处理转子动力学时，通常不是把滚动轴承支撑作为绝对刚性支撑，就是作为定刚度 支撑。事实上，支撑高速转子的滚动轴承具有非线性的刚度特性。许多反映滚动轴承特性的因素： 诸如轴承几何尺寸误差、游隙的影响、轴承的预紧力以及它们在使用过程中的变化，滚动体离心力 和陀螺力矩的影响及轴承润滑等因素均应考虑在滚动轴承刚度分析的模型中。 东南大学硕士学位论文 作为一种重要的机械基础件，滚动轴承已经广泛地应用于社会生活的各个领域。特别是随着高 速加工技术的快速发展，人们对滚动轴承的也提出了更高的要求。磨床用轴承主要由锥孔双列向心 短圆柱滚子轴承和向心短圆柱滚子轴承及推力轴承等组成。支撑在滚动轴承上的主轴的动力学特性 在很大程度上取决于轴承的特性，尤其是轴承的径向刚度和轴向刚度。 1 2 润滑的研究及其发展 1 2 1 润滑的作用 润滑是保证轴承正常运转的必要条件，它对于提高轴承的承载能力和使用寿命起着重要的作 用。不论采用何种形式，润滑对滚动轴承的寿命的影响表现为： ( 1 ) 减少金属间摩擦，减缓轴承磨损，延长轴承的使用寿命。润滑的好坏直接影响滚动轴承的 磨损，如果润滑条件足以防止滚动体和滚道间发生金属接触的话，疲劳裂纹一般出现在接触表面的 内层，磨损几乎没有，但如果润滑膜的厚度不足，就会发生金属对金属的相互接触，甚至承载表面 的微凸体峰尖可能发生冷焊现象。此时接触部位的剪应力能达到使表面形成裂纹的程度，这些裂纹 逐步向材料内部扩展并使接触表面开裂，此时轴承的疲劳寿命比通常发生的次表面疲劳要小很多， 轴承的磨损加剧皑。 s k f 公司的研究结果表明：弹性流体动压油膜的厚度和两接触表面粗糙度均方根的和所构成的 关系值是一个数值上对润滑性能关系重大的参数，此参数称为膜厚比。1 9 7 0 年s k u r k a 对滚子轴承 进行了大量的试验研究，得出了不同润滑条件下轴承额定寿命与润滑油膜厚比的关系。从研究结果 来看，随着膜厚比的增加，滚动轴承的使用寿命可以成倍地增加。 ( 2 ) 润滑起防尘、防锈、防蚀作用，延长轴承的使用寿命。轴承的污染可以分为物理污染和化 学污染两种旧1 ，通常会引起轴承的过早磨损和腐蚀损坏。造成物理污染的固体颗粒来源，一是通过 轴承座密封、轴承密封圈或油孔进入轴承的外部物质，二是轴承零件磨损剥落的微粒。化学污染则 主要是由水通过各种途径进入轴承内引起的，同时一些润滑剂中的化学夹杂物也会造成化学污染的 发生。试验表明：轴承全部磨损中约有一半发生在轴承遭污染后继续运转的最初1 时间内，磨损 的2 5 发生在接下来的l 运转时间内，其余的2 5 磨损则发生在所余下的9 8 的时间内。这就 说明，当污染微粒物循环通过轴承的运动后，其尺寸减小了，污染微粒的磨蚀作用也逐渐减小了。 如果污染持续发生的话，则这种磨损将成比例增大，轴承的寿命就会更短。 通过固体磨粒对润滑脂失效及密封轴承寿命影响的试验h 1 ，得知固体杂质对密封轴承寿命及锂 基脂失效的影响显著。固体杂质对轴承寿命性能的影响主要反映在对脂的化学劣化及磨损性劣化， 而在较低温度下以磨粒磨损为主。在1 2 5 的高温下，铁和粉尘加剧了脂的失效，导致轴承寿命的 降低。研究表明，微粒状铁降低密封轴承的润滑寿命的机理是它作为一种催化剂，在高温下加速润 滑剂中基础油的氧化及添加剂的分解，同时伴随磨粒磨损促使轴承发生早期破坏。 化学污染最常见的形式就是水的侵入。水侵入轴承后通常以两种化学方式导致轴承的磨损。其 一是由润滑剂中发生的水解反映引起的，这种反映释放出活性酸，造成轴承金属的侵蚀；二是水腐 蚀，其结果是导致了轴承表面的生锈。在后期，水腐蚀造成了轴承表面杂乱无章的蚀坑和锈斑。也 有人指出，轴承滚道因为承受周期交变应力而产生微裂纹，水分进入裂纹后造成腐蚀和氢脆，又加 速了裂缝的扩展，导致轴承提前发生尺寸较大的剥落现象。因此对化学污染，特别是水分的控制也 2 第一章绪论 是应当注意的问题。 在工程应用中，解决轴承污染的有效手段就是合理地选择润滑方式、润滑剂及润滑参数等。一 般来说，合理的润滑方式不仅可以提供良好的轴承工作环境，而且也应当具备良好的密封效果，从 而能有效地阻止杂质和水等进入轴承内部、延长轴承的使用寿命。 润滑油膜的形成增大了接触面积，减少了接触压力，使相应的应力值降低，延长了轴承的疲劳 寿命。润滑可以减少轴承内部的摩擦发热并带走热量、降低轴承表面的工作温度、防止材料在高温 下机械性能的降低及轴承的烧伤，确保滚动轴承能在高频接触应力下，长时间地正常运转。 1 2 2 润滑方式的选择 润滑方式的选择，是决定润滑效果的重要因素之一。润滑方式的选择又与润滑剂的种类、润滑 要求和被润滑机械设备的性能等有关。常用的润滑方式包括哺1 ： ( 1 ) 油循环润滑 油循环润滑是一种对滚动轴承部位进行积极润滑的方式。它是利用油泵将润滑油从油箱中吸 出，通过油管、油孔导入滚动轴承座中，再通过轴承座的回油口，将油返回油箱，经冷却和过滤后 循环使用。因此，这种润滑方式能够有效地排除摩擦热。故适用于负荷大、转速高的轴承中。 ( 2 ) 喷油润滑 喷油润滑也是油循环润滑的一种。轴承高速旋转时，滚动体和保持架也以相当高的速度旋转， 使周围空气形成气流，用一般润滑方法很难将润滑油输送到轴承中去。为了能够使润滑油充分进入 高速轴承内部的相对运动表面，同时又要避免由于高速运转条件下循环给油量过大而产生的温升过 高、摩擦阻力过大等问题，在轴承座进油口增设了喷嘴，并提高供油压力，依靠喷嘴把油喷射到轴 承上，达到对轴承的润滑和冷却。因此喷油润滑主要用于高速运转的滚动轴承，并可用于滚动轴承 d n 值大于2 0 0 0 ，0 0 0 咖r m i n 的场合。 ( 3 ) 油雾润滑 油雾润滑是一种微量润滑，可以使用很少量的润滑油来满足滚动轴承的润滑要求。油雾润滑时， 润滑油在油雾发生器中变成油雾，依靠这种油雾对轴承实现润滑，但是由于油雾在滚动轴承工作表 面会再次凝聚成油滴，因此实际上滚动轴承工作表面仍然保持着稀油润滑的状态。油雾润滑常常应 用于轴承滚动体线速度很高的工作环境下，以避免其它润滑方法由于供油过多、油的内摩擦增大导 致滚动轴承工作温度增高的弊端。 一般而言，油雾润滑所需的空气压力为o 0 5 0 1 5 m p a ，每个轴承的空气量为5 1 0 l m i n ，供 油量为o 1 1 m l m i n 。由于压缩空气是和油雾一起进入轴承中的，所以冷却效果较好。这种润滑方 式主要用于d n 0 9 1 0 6 咖r m i n 的高速轴承。但是，油雾润滑中润滑油的粘度选择一般不应高于 3 4 0 m m 2 s ，因为过高的粘度将无法达到雾化的效果；润滑过的油雾可能会部分地随空气散逸，导致 环境的污染。 ( 3 ) 脂润滑 脂润滑是直接将润滑脂涂抹到滚动轴承各个运动表面间。这是一种最常见的润滑方式，但是在 给滚动轴承的滚道和滑动工作表面输入润滑脂时，必须遵循以下原则：润滑脂必须贯穿轴承的工 作表面和轴承的内部空隙，这样才能使润滑脂充分起到润滑作用：在滚动轴承的工作表面应留有 一定数量的润滑脂，并持续一定的时间，但又要防止润滑脂因过多而流失；在保证良好润滑的前 东南大学硕士学位论文 提下，尽量减少润滑脂的用量。 ( 4 ) 油气润滑 油气润滑技术是继油雾之后，8 0 年代在西方工业化国家首先发展起来的一种新型润滑方式。它 具有油雾润滑的优点而又避免了油雾润滑的一些不足，因而在钢铁、造纸和机床等行业逐步得到了 广泛使用。在机床行业中，油气润滑技术已经应用于高速电主轴的滚动轴承的润滑。油气润滑是一 种新型的润滑方式，在实践上已经有相当广泛的应用。油气润滑在我国的应用也有近二十年的时间， 国内不少学者及工程技术人员对油气润滑技术进行了研究。有许多一线的工程人员介绍了在实际使 用中的油气润滑设备及其效果。国内有不少文献介绍油气润滑技术的相关内容，但是大多是综述性 和使用反馈性的，系统具体的实验研究则很少见。 1 2 3 润滑剂的选择 关于润滑剂的选择，主要考虑的因素是润滑剂的粘度等级和添加剂的种类。滚动轴承的失效多 数是由于润滑剂的粘度不足引起，润滑剂的粘度越低，则油膜的承载能力越差，油膜越容易破裂， 滚动轴承内部相对运动表面的金属材料易发生直接接触，导致摩擦增大、磨损加剧，使轴承使用寿 命明显缩短或发生轴承的烧伤、断裂事故。但是，如果润滑剂的粘度过高，则会使轴承摩擦阻力加 大，因搅拌润滑剂而产生的热量增多，导致轴承的温升增大。 1 2 4 油气润滑方式的研究 作为一项新发展起来的润滑技术，油气润滑系统的应用已经在国内逐渐受到了重视，它的诸多 优点在实践中也受到了用户的肯定。但目前国内使用的油气润滑系统大多从国外引进的，国内对它 的研究和开发工作也是刚刚起步。目前国内在这方面的研究报道大部分集中在对油气润滑系统应用 效果的分析上，仅有少数研究人员进行过一些对比试验研究。因此，这方面仍然有大量的工作需要 完成和充实。 油气冷却润滑这一新技术，不但迸一步改善了轴承的使用条件，提高了轴承的使用寿命，而且 在积极冷却、节约能源等方面均有不同程度的改进和提高。它具有比喷油、强力循环润滑更加适合 于高负荷、高转速和高温工作条件下的优点，是一种有效的润滑方法。和传统润滑方式相比，有着 诸多的优点： ( 1 ) 能输送各种性能的润滑油。油气冷却润滑系统在输送润滑油时，可以不受润滑油的粘度限制。 只要系统中油泵功率足够大，那么高粘度的润滑油就可以被定量地供给到轴承部位。润滑油粘度提 高了，轴承工作系统的轴承材料和工作条件系数也将相应增大，同时润滑油膜厚度及油膜形成率都 会相应提高，这对提高轴承寿命时很有利的。 ( 2 ) 油气润滑可以准确地控制油量和气量。在油雾润滑中，油和气的用量是无法准确调整的。 而在油气冷却润滑中，油和气不是一体，所以可以通过递进式给油器和油气分配器，按润滑点的 要求调整油量及压缩空气，配成一定比例的油气混合物供油点润滑。 ( 3 ) 无环境污染。油雾润滑中，油被雾化成0 5 2 岬的雾粒，这些雾粒有的通过二次凝固称为 较大的油滴，起着润滑的作用。但也有相当多的油雾粒子从摩擦副的缝隙或密封口向大气排放，造 成环境的污染。而在油气冷却润滑中，油并没有被雾化，而是以油粒状被压缩空气吹散并输送，因 此向大气中排放的仅是空气，所以对环境没有任何污染作用。 ( 4 ) 密封及冷却性能好。润滑剂在摩擦点的作用，不但可以防止金属与金属的直接接触，同时还 4 第一章绪论 有携带走摩擦热及密封的作用。润滑剂受外界污染物、水等入侵而变质是导致润滑失效的重要原因 之一。在以往的稀油润滑及油雾润滑中，轴承腔内的压力都较低，因此密封性能也比较差。而油气 润滑的轴承腔内的压缩空气可对润滑点起到冷却、防尘、防有害气体等作用。 采用油气润滑系统，由于空气的连续流动，可以带走轴承腔中的热量，保持轴承在合理的温度 下工作。实验证明采用油气冷却润滑可使轴承温度比油脂润滑时低1 2 左右。采用油气润滑系统， 可在轴承腔中形成正压，也利于防止水和杂质等进入轴承内部，有利于良好的密封的形成。 ( 5 ) 润滑油消耗量小。采用油气润滑时的润滑油消耗量是油雾润滑的1 1 0 ，干油润滑的1 1 0 0 。 ( 6 ) 有利于提高轴承的转速。由于油滴是以喷射的方式接触摩擦面的，故油气混合物完全有能力 穿透在高速运转时由于离心力的作用而在轴承周围形成的空气涡流，从而达到喷射供油润滑及冷却 的目的。 哈尔滨工程科技大学闫通海、何立东等人，对油气冷却润滑技术及其应用进行了理论和实践研 究，提出了如下主要观点： ( 1 ) 油气润滑是用一股高压气流与极少量的润滑油，形成气液两相混合流体，向机械摩擦部位输 送，对做相对运动的接触表面进行润滑和冷却降温。在两相流体混合的过程中，油不被雾化而只形 成油滴。因此，油和气不是一体，输送的动力则是空气的压力。 对于输送距离较长的油气两相流，可以认为是一种单纯的环状两相流动。所谓单纯的环状气液 两相流，是指四周均为液体、气流核心部分不夹带液滴或微小的液粒，并且气液界面是光滑的。 ( 2 ) 许多文献认为气液两相流体润滑时，两相流中的气体仅仅起输送润滑液，并及时带走摩擦热 的作用，在两摩擦表面之间由两相流中的润滑液形成单相油膜。但是，气液两相流体润滑在金属切 削加工中应用的试验以及在滚动轴承中应用的情况表明：仅含有少量润滑液而大部分是压缩空气的 气液两相流体射流的润滑作用明显优于润滑液大量连续浇铸的润滑作用。面对这样的事实，作者对 气液两相流体润滑的机理归结为单相液体润滑提出了疑问。 ( 3 ) 作者认为，气液两相流体射流在两摩擦表面之间形成的润滑膜不同于纯润滑液的单相液膜， 而是压缩空气和润滑液以一定方式混合形成的气液两相膜。正是这种两相润滑膜，具有比单相液膜 更高的粘度，增大了两相润滑膜的厚度，从而使气液两相流体润滑具有优良的润滑减磨作用。 基于上述观点，作者提出了气液两相膜模型如下：从喷嘴喷射出来的气液两相流体射流，其中 的润滑液液体小颗粒在润滑区固体表面上汇聚，同时高速流动空气所形成的孤立分散地空气小气泡 混合于汇聚在润滑区固体表面上的润滑液之中，随着两摩擦表面的相对运动，在两摩擦表面之间形 成了气液两相流体润滑膜，即两相膜。 对于这样假定的两相膜，采用下面的试验关联式计算其粘度： 7 7 。= 7 7 。( 1 + o 0 1 5 ) ( 1 1 ) 式中：7 7 。两相流的粘度； 7 7 。润滑膜的粘度； 两相膜中空气小气泡的相对体积含量，。 从润滑方面的意义来说来，粘度是润滑剂最重要的物理性质。如果粘度过低，难以形成足够厚 5 东南大学硕士学位论文 度的润滑膜，如果粘度太高，功率损耗和运动温度将会不必要地增加。从公式1 1 可以看出，两相 流的粘度明显大于单相润滑液的粘度。而且随着两相流中空气小气泡相对体积含量的增加，两相流 的粘度也增加。即普通粘度的润滑液构成的气液两相膜的膜厚大于该润滑液的液体膜膜厚。同时， 大量高速流动的气体将热量很快地带走。这些效果都大大增强了两相膜的冷却作用。 用气液两相流体进行润滑时，由于对两相流采用了( 2 ) 中规定的假设，便允许把这种两相流体当 作具有粘度刁。的可压缩单相流体来处理。如果只分析两相流粘度增加的影响，并假定两相膜中空气 小气泡的相对体积含量为2 5 ，则有办。= 1 2 6 。在这种条件下，气液两相流体润滑时两相膜的厚度 比浇注式润滑冷却的单相液的厚度增加了2 6 。润滑膜厚度的增加，使润滑膜形成率提高，减少了 两摩擦表面直接接触的机会，减轻了两表面之间的摩擦。 ( 4 ) 对于两相流供油量的大致标准，在初步设计中可按下式计算： q = 1 0 。2 f d ( 1 2 ) 式中：q 每个轴承所需的油量，m l h ； d 吲承内径，m m ； 卜系数，对于角接触球轴承f = 1 2 ，对于圆柱滚子轴承仁0 4 。 洛阳轴承研究所的李松生等，自行开发了机床高速主轴轴承用y o a 5 新型油气润滑器，进行 了机床高速主轴轴承油气润滑的应用试验。 国外关于油气润滑方面的研究报道也主要是集中在工业应用方面，和国内相比，他们的应用时 间更早、应用领域更广，并且已经有系统的产品。但是关于油气润滑系统特性的试验研究，国外的 相关报道极少，有关这方面的理论或更系统的分析几乎没有。 加拿大的r i c h a r dc s c l l r a m a 等，在热带钢轧机的辊颈轴承上，采用油气润滑进行了试验，得出 油气润滑可以在任何布置形式的轧机上应用的结论。采用油气润滑后润滑费用和维护费用大幅下 降，但是油气润滑系统在调整和操作上要比传统油脂润滑系统复杂。 日本n s k 公司于1 9 9 4 年报道说，板坯机导辊和矫直机轴承工作转速极低并承受高负荷，在采 用脂润滑是转动接触处的油膜难以形成；加之轴承在“高温+ 水蒸汽”的恶劣环境下，最终导致润 滑脂的碳化，引起供脂配管的堵塞造成贫油润滑，结果使得轴承的使用寿命大幅降低。为了解决此 问题，在板坯连铸机弧形段辊子和矫直机辊子的轴承上，进行了油气润滑试验。并得出如下结论： ( 1 ) 确认了油气两相流的流动状态为环状流。 ( 2 ) 确认了即使在冬季0 时，i s o v g 4 6 0 润滑油也能稳定地供给。 采用油气润滑后，实现了润滑剂的稳定供给，保证了良好的润滑状态，保持了轴承箱的内压， 防止了异物的进入，有效地延长了轴承的使用寿命。 1 3 滚子轴承的动态特性分析 1 3 1 滚子轴承分析的历史及发展方向 虽然滚动轴承结构比较简单，但是对高速滚动轴承进行理论分析则是一项比较复杂的工作。因 此，可以根据工程实际情况的需要建立比较实用的数学模型对滚动轴承进行分析。 在高速下，滚子轴承各元件的动力学特性对轴承性能的影响不容忽视。自从c t w a l t e r 首先 6 第一章绪论 提出球轴承的动力学分析模型以来哺1 ，科技工作者也对高速滚子轴承做了动力学分析。在高速滚子 轴承的分析模型中，比较常见的是t a h a r r i s 模型。h a r r i s 的模型能够解决考虑润滑状态和轴承 受载问题。 综上所述，学者对圆柱滚子轴承分析的方法也主要集中在静力学分析方法和动力学分析方法两 个方面。考虑到工程实用的要求，对于机床主轴用锥孔双列短圆柱滚子轴承的刚度特性的分析这个 具体的工程问题而言，采用动力学方法显得过于复杂且并不适用。而采用静力学分析方法进行轴承 刚度分析，在满足设计和分析要求的同时，又可以使复杂的问题简化。 1 3 2 滚动轴承的刚度研究 在一般情况下，滚动轴承承受径向、轴向和力矩联合负荷的作用，内外圈将产生径向、轴向的 相对位移和相对倾角。这种弹性的相对位移量的大小对主机有重要的影响，关系到滚动轴承的使用 性能。滚动轴承的刚度定义为轴承内外圈产生单位的相对弹性位移量所需的外加负荷。按照相对位 移的方向，可以有径向刚度、轴向刚度和角刚度1 。 不同的工作环境对滚动轴承的刚度有不同的要求。比如，机床主轴轴承需要较高的刚度来保证 工件具有高的加工精度；高速旋转轴轴承需要合适的刚度以保证旋转的临界转速远离轴的工作转 速，减少振动；陀螺仪马达的轴承需要有相等的径向刚度和轴向刚度以使陀螺仪减少加速度平方项 误差。因此研究滚动轴承的刚度从而提高轴承的使用性能具有现实意义。 滚动轴承的刚度分析过程其实包含在滚动轴承的力学分析过程之中。通过对滚动轴承进行受力 平衡分析，从中可以求解出轴承的刚度。而刚度特性分析主要是分析一些因素对刚度的影响，刚度 随这些因素变化的规律，以便更好地为转子动力学分析服务。在以往，学者对滑动轴承刚度和空气 轴承的研究一直较多旧一一0 | ，而对滚动轴承刚度的研究相对来说较少。a b j o n e s 在研究过去滚动轴 承分析方法的基础上，提出了比较完整的滚动轴承拟静力学分析方法n “1 2 1 3 1 ，他的拟静力学分析方 法包含有轴承刚度分析的理论，分析过程中首次提出了滚动轴承刚度矩阵的概念。在轴承刚度求解 过程中考虑离心力及陀螺力矩作用，能比较准确地反映了滚动轴承的刚度。分析模型作了一些简化， 忽略了弹流分析、热效应以及保持架等因素。同时，其他科学工作者也做了一些工作n “幅1 引，使其 得到进一步的发展。 j m d em u l 等人提出了一种新的、通用的数学模型来计算滚动轴承的平衡和载荷分布n 7 1 引。轴 承可以沿五个自由度方向受载并发生相应的位移。分析模型考虑了高速时滚动体产生的载荷，忽略 轴承内部的摩擦。轴承材料处于弹性变形范围内，轴承套圈被看成是刚体。陈宗农等人对角接触球 轴承进行了静态刚度分析，给出了轴承刚度矩阵的计算方法n9 | 。张迅雷等对角接触球轴承静刚度进 行分析馏，研究了轴承在纯轴向力作用下由于角接触变化引起轴承的刚度变化，并给出了刚度计算 方法。蒋兴奇等人以高速精密角接触球轴承为对象比，分析了轴承结构及结构参数对轴承高速性能 的影响。a b o u r d o n 等提出了滚动轴承静态刚度分析方法乜2 2 引，刚度矩阵模型能够引入到有限元分 析中。文献2 4 2 6 对支撑在辅助轴承上的转子系统进行稳态响应的分析，考虑了转子不平衡、游 隙、支撑刚度和阻尼等影响因素对转子系统稳态响应的影响。 从以上论述可以看出，转子动力学的求解过程离不开支撑转子的轴承的刚度。轴承刚度性能直 接影响到转子的动态响应。因而开发一个实用的轴承刚度分析软件对转子系统的优化设计和应用有 着重要的作用。 7 东南大学硕士学位论文 1 4 本文研究内容 1 4 1 高速电主轴的油气润滑试验研究 国内的高速加工领域也已经采用了油气润滑作为高速主轴轴承的润滑方式。但是，国内轴承的 使用寿命远没有国外的长。影响轴承寿命的因素有很多，包括载荷水平、装配要求、工作环境条件 等方面。其中润滑条件的优劣对轴承寿命的影响很大。 本文将以高速磨削电主轴用球轴承为研究对象，通过油气润滑实验，以轴承外环温升为评价指 标，分析研究出在一系列转速、轴承预紧力情况下的最优油气润滑参数，探索轴承温升理论和油气 润滑试验之间的关系，为工业生产提供理论指导，推动对油气润滑方式的更深入的研究。 随着加工行业对磨削用电主轴的转速要求逐渐增大，对通过润滑方式的改善来提高主轴的使用 极限转速的期望也越来越高。当前国内的高速加工行业，国产的电主轴轴承普遍寿命很低。即使是 从国外进口的电主轴，其轴承寿命也很难与国外在油气润滑条件下轴承的相媲美。基于此，结合江 苏省十五科技攻关项目( b e 2 0 0 4 0 2 5 ) 和江苏省的自然科学基金项目( b k 2 0 0 2 0 5 9 ) ，对磨床用高速电主 轴轴承进行了系列的油气润滑试验研究，为生产提供了理论指导并推动了油气润滑的理论研究。 1 4 2 锥孔双列向心短圆柱滚子轴承动态特性分析 锥孔双列向心短圆柱滚子轴承广泛地应用于机床主轴中，其内圈较薄并带锥孔( 锥度1 ：1 2 ) ， 当内圈沿锥形轴颈移动时，便产生弹性变形，使内圈胀大而调整轴承间隙。它的两列圆柱滚子交错 排列，滚子数目多，且长径比较小。因而承载能力大，刚性好，允许转速高，径向间隙调整方便， 常和推力轴承配套用于径向载荷和轴向载荷较大、转速较高的主轴部件。 目前在国内还没有针对磨削主轴用锥孔双列短圆柱滚子轴承刚度的分析程序，国外对这方面的 工作也少有报道。因此，本文将结合磨床用主轴轴承的特点，建立适合高速滚动轴承的刚度分析模 型，并相应开发刚度分析程序。结合实际磨床主轴轴承可以计算出轴承刚度，研究轴承刚度随外载 荷、轴承游隙以及轴承转速等因素的变化规律。这些工作将对主轴轴承的设计以及转子动力学分析 有着积极的现实意义。 8 第二章正交试验设计理论 第二章正交试验设计理论 2 1 概述 科学试验的目的，是获得对客观事物规律性的认识。试验设计是试验者进行试验获取可靠试验 资料的第一步，试验安排合理，可以以较少的试验次数得到满意的结果。反之，试验安排不合理， 花费大量的人力、物力、才力和时间而未必能得到可靠的试验资料。因此，如何安排试验是一个很 重要的问题。 所谓试验设计【27 1 ，是指以概率论与数理统计学为基础，为获得可靠试验结果和有用信息，科学 安排试验的一种方法论，亦是研究如何高效而经济地获取所需要的数据与信息和分析处理的方法。 试验设计是2 0 世纪初由英国生物统计学家费歇尔( r a f i s h e r ) 首先提出来的，最初应用于农业和生 物学，很快推广到其它领域。 在试验中用来衡量试验效果的质量指标，本文为轴承外圈的温升，称为试验的指标。它可以是 单一指标，也可以是多个指标。试验指标按其性质来分，可分为定性试验指标和定量试验指标。本 文研究的是定量试验指标。 影响试验指标的要素或原因称之为因素，因素在试验中所取的状态称之为水平。在试验中需要 考虑某因素的几种状态时，则称该因素为几水平因素。因素水平的变化可以引起试验指标的变化。 试验的目的就是找出影响试验指标值的诸因素，或者说是寻找最佳工况。在寻找最佳工况的试验中， 试验初期阶段由于心中无数，试验范围往往较大，这时就不得不取多水平，而随着试验的进行，试 验的范围会逐渐缩小，试验后期阶段为减少试验次数，就可以取两水平或三水平。 而且，如何确定一个因素水平变化的幅度也是随试验的进行而不断摸索的过程。从减少试验次 数来看，当水平间距不太大时取两水平或三水平就可满足要求。但是，若水平过于接近而试验指标 变化较小时，尤其对那些影响不大的因素，可能检测不出水平的影响，从而得不到任何结论。选取 的水平必须在技术上现实可行，即在试验范围之内。 试验设计时，要首先明确试验的目的。根据试验不同的试验目的，选择合适的试验指标。一般 应选择最关键的因素效应、最敏感的参数作为试验指标。 2 2 正交试验设计 2 2 1 正交试验设计的概念 正交实验设计，是利用规格化的正交表，恰当的设计出实验方案和有效地分析实验结果，提出 最优配方和工艺条件，并进而设计出可能更优秀的实验方案的一种科学方法啦引。正交试验属于部分 试验，关于正交的优良性，在参考文献2 9 中，中国科学院系统科学研究所项可风进行了详细的阐 述。 正交表是利用“均衡搭配”和“整齐可比”的原理，从大量的全面实验方案中，为挑选出少量 具有代表性的实验点，所制成的排列整齐的规格化表格。均衡搭配是指，正交表安排的实验方案能 均衡的分散在水平搭配的各种组合方案之中，因而其组合条件具有代表性，容易选优。整齐可比是 指，每一因素的几个水平具有可比性。这是为了对某一因素比较各水平的作用，从而找出优秀的水 9 东南大学硕士学位论文 平。因此其余各因素，各水平出现的次数应该相同，以便最大限度的排除其他因素的干扰。 设a 是刀七矩阵，它的第列元素由数字1 ，2 ，3 ，研所构成，如果矩阵a 的任意两列都 搭配均衡，则称a 是一个正交表。所谓搭配均衡，是指一个矩阵的任意两列中，同行元素所构成的 元素对是一个完全对，而且每对出现的次数相同。完全对即两个数组的所有排列对。正交表的性质 为：每一列中各水平出现的次数相同，例如，第j 列各水平出现的次数为同锄，( 卢1 ，2 ，七) ； 任意两列所构成的水平对中，每个水平对重复出现的次数相同，例如第j 列与第列，重复搭配的 次数为 一砌册，式中的研，毋分别为第j 列、第列元素的水平数。 试验因素水平在试验中所处的状态、条件的变化可能会引起试验指标的变化，把因素变化的各 种状态和条件称为因素的水平。在试验中需要考虑某因素的几种状态时，则称该因素为几水平因素。 实验中“水平量”的选取主要根据工程应用的实际需要和试验要求。 正交表的构造是个组合数学问题，不同类型正交表的构造方法差异很大。基于此，选用了已 有的适合于本试验的正交表。根据正交表的定义，首先，表的各列地位是平等的，因此各列的位置 可以置换；其次，用正交表安排试验时，试验的次序可以是任意的，即表的各行位置可以置换；再 者，因素水平的次序也可以任定，即同一列中水平记号可以置换。正交表的列间置换、行间置换和 同一列中水平记号的置换，称为正交表的三种初等变换。经过初等变换所能得到的一切表称为等价 的。 2 2 2 正交实验的步骤 正交试验的主要步骤为： 明确试验目的，确定试验的考察指标； 挑因素，选水平，制定因素水平表； 选用正交表，进行表头设计； 确定试验方案，做试验，填数据，即因素顺序入列，水平对号入座，列出试验条件，填写 试验结果； 计算分析试验结果( 数据) ，选取优化方案，其中分析方法包括直接分析、计算分析、因素 与指标关系图即趋势图分析、因