（机械制造及其自动化专业论文）高速滚动轴承油气二相流润滑试验研究.pdf

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 研究生签名 勰丝 日 学位论文使用授权声明 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 缩印或其他复制于段保存论文 本人电子文档的内窖和纸质论文的内奔相 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i u 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 研究生签名 身牲导师签誓 摘要 高速滚动轴承油气二相流润滑试验研究 研究生 毛和兵导师 蒋书运教授 摘要 高速电主轴是高速加工机床的核心功能部件 其性能的优劣在很大程度上决定了整台机床的加工精度和 生产效率 以高速电主轴为代表的旋转机械转速的不断突破 对滚动轴承技术提出更高的要求 同时 电主轴 中电机和轴承的各种损耗 机械损耗 电损耗 磁损耗和附加损耗 导致的发热小可避免 由此引起的热变 形会严重降低机床的加工精度 传统的润滑方式在d m n 1 0 x 1 0 6 m m r p m 情况下已经不能满足需要 油气润 滑技术 可使轴承具有极限转速高 温升低和寿命长等优点 是高速 超高速轴承最理想的润滑方式 本文参与了高速滚动轴承油气润滑试验台系统试验件的部分零件的设计和改进工作 迸一步详细地开展了 油气润滑各参数影响效果的试验 同时使用a n s y s 软件对试验件进行了热分析研究 本文的主要工作如下 1 本文参与了高速滚动轴承油气润滑试验台系统试验件的部分零件的设计和改进工作 2 本文针对油气润滑研究中存在的不足 使用自主开发的高速滚动轴承油气润滑试验台 主要研究d m n 1 0 x 1 0 6 m m r p m 工况下符参数的影响 同时兼顾d m n 1 0 x 1 0 6 i n l l r p m b u tt h e o i l a i rl u b r i c a t i o nm e t h o di si d e a lf o rh i g hs p e e da n ds u p e rh i g hs p e e db e a r i n g sf o ri t s a d v a n t a g e s s u c ha sh i g h e rl i m i t i n gs p e e d m u c hl o w e rt e m p e r a t u r er i s ea n dl o n gb e a r i n gl i f e t h ee x p e r i m e n ts e t u ph a sb e e nd e v e l o p e da n di m p r o v e di nt h i sp a p e r a n dt h e n t h ep a r a m e t e r so fo i l a i rl u b r i c a t i o n h a v eb e e nr e s e a r c h e df r o me x p e r i m e n t s f i n a l l y t h e r m a la n a l y s i so ft h es e t u ph a sb e e nc o n d u c t e db ya i do fa n s y s s o f t w a r e t h ed e t a i l so ft h i sp a p e ra r ea sf o l l o w s 1 s o m ep a r t so ft h eh i g hs p e e dr o l l i n gb e a r i n gt e s tr i gw i t ho i l a i rl u b r i c a t i o nh a v eb e e nd e v e l o p e da n di m p r o v e d 2 s i n c et h eo i l a i rl u b r i c a t i o ne x p e r i m e n ts e t u ph a sb e e ni m p r o v e d t h ee f f e c t so fo i l a i rl u b r i c a t i o np a r a m e t e r s u n d e rt h ec o n d i t i o no fd m n 1 0 x 1 0 6 m m r p mh a v eb e e ns t u d i e df r o me x p e r i m e n t s s od ot h ec o n d i t i o no f d m n 1 0 x 1 0 6 m m r p m 情况 下已经不能满足需要 油气润滑技术 可使轴承具有极限转速高 温升低和寿命长等优点 是高速 超高速轴 承最理想的润滑方式 二十世纪六十年代 德国r e b s 集中润滑技术有限公司通过实验发现了油气润滑技术的基本原理 成功应 用于高速转子及稀油润滑系统 油气润滑技术在欧洲首先推广开来并逐步在世界各地得以应用 在工况恶劣 的领域尤其如此 1 1 s h y e o 等将油气润滑应用到超高速磨削电主轴 获得了优良的工作性能1 2 1 此外油气润 滑技术还被成功应用于齿轮润滑 极大地改善了齿轮工作条件1 3 1 油气润滑技术 进一步改善了轴承的润滑条件 提高了轴承的使用寿命 在积极冷却 节约能源等方面 均有小同程度的改进和提高 因此与喷油润滑 强力循环润滑相比 更加适合于高负荷 高转速和高温等条 件下工作 和传统润滑方式相比 油气润滑技术有着诸多的优点 1 d m n 值高达2 0 x 1 0 6 m m r p m 2 润滑性能好 轴承温升低 人幅提高轴承寿命 3 润滑油供给精确 连续 新鲜 微晕 r 均约为1 s c r n 3 h 约为油雾润滑的1 6 4 轴承密封要求低 内部形成正压区 有效抵制外侵污染和腐蚀 1 4 1 5 适用于几乎各种粘度的润滑油 以及同体润滑剂的传送 6 不产生油雾 环境污染小 7 被润滑设备小受大小限制 同时由于延长寿命 人幅降低了运行和维护费用 8 管道简洁 走向布置自由 可以多点润滑 p j 1 1 2 油气润滑高速电主轴热分析研究背景 高速电主轴响应特性好 结构紧凑 重黾轻 惯性小 改善了土轴动甲衡 减少了振动和噪声 是高速 机床主轴单元的理想结构 然而 电主轴i l i 电机和轴承的各种损耗 机械损耗 电损耗 磁损耗和附加损耗 导致的发热不可避免 由此引起的热变形会严重降低机床的加t 精度 因此 在高速加丁中 电主轴的热态 特性成为影响 j n e 精度的一 个主要因素 并直接限制电主轴转速的提高 6 当主轴运行在很高的速度时 d m n 1 0 x 1 0 6 m m r p m 传统的润滑方式匕经不能满足需求 7 d 叭 油气润滑方式足 种有效的润滑方法 已经被广 泛应用于很多旋转器件以及别的工作场合 1 东南大学硕士学位论文 1 2 高速滚动轴承油气润滑试验研究现状 1 2 1 国内研究现状 作为一项新发展起来的润滑技术 油气润滑技术的应用已经在国内受到重视 其诸多优点也在实践中得 到了用户的肯定 但是目前国内使用的油气润滑系统大多是从国外引进的 国内对它的研究和开发工作刚刚 起步 洛阳轴承研究所的杨柳欣 李松生0 1 1 2 1 等 自行开发了机床高速主轴轴承用y q a 5 新型油气润滑器 进行了机床高速土轴轴承油气润滑的应用试验 目前国内在这方面的研究大部分集中在对油气润滑系统应用情况的分析上 仅有少数研究人员对少量因 素做了一定的研究 研究发现存在着最佳供油量 供油量或多或少都会导致温升增加1 1 3 1 4 i 对用气量进行研 究发现 随着用气量的增加 温升降低 但是到一定程度后效果不明显 同时对油气的进1 2 1 位置做了研究 发现油气的进1 2 1 位置对于温升影响不大 l 习 国外的知识产权保护 国内研究的不成熟 导致国产油气润滑技术使用效果不理想 因此 这方面仍然 有大量的工作需要完成和充实 获得基础数据 1 2 2 国外研究现状 国外油气润滑技术应用很成熟 但是油气润滑参数对油气润滑效果的影响情况无从获知 国外的著作和 论文涉及很少 近年来一些学者做了较为详细的研究 文献 7 对各个影响冈素进行单因素研究发现 1 供油波动 三种不同粘度的油 当油气管道达到一定长度后波动情况趋于平缓 高粘度的油只需要很 短的管道即可达到稳态波动 且在长管道l l 供油周期对波动的影响情况很小 同时发现随着油气压力的增大 会引起低枯度的油产生搅动 2 转速 随着转速增加 不同粘度润滑油下的工作温升和摩擦力矩均旱现增加趋势 且在高速时 随着 转速增加 温升急剧增加 3 预紧力 三种彳i 同粘度的油 在中 高速时存在最佳预紧力 且随着转速的增加 最佳预紧力早现逐 渐增加趋势 预紧力偏人或者偏小都会导致温升增加 低速时温升随着预紧力增加缓慢上升 不存在最佳预 紧力点 4 供油 景 不同粘度的润滑油在小同转速下均存在着最佳供油景 且最佳供油景斧别微小 5 压缩空气流晕 随着空气流晕的增加 温升旱现递减趋势 但是摩擦力矩几乎小受影响 6 润滑油粘度 在润滑油不过量的情况下 粘度对温升的影响很小 当润滑油过量引起搅动时 此时粘 度人的温升比较高 文献 1 6 通过正交试验方法 对润滑油粘度 周期供油罨 管道长度 供油周期以及压缩空气压力五个因 素进行了研究 得出了各个冈素对温升影响的人致趋势 温升随着润滑油粘度的增加而降低 随着周期供油 量的增加而升高 随着供油周期的延长而降低 随着空气压力的增加而升高 随着坝紧力增加而升高 随着 转速增加而升高 同时得出了满足温升最低的最佳t 作参数 此外 日本n s k 公司对油气润滑参数做了较为详细地研究 诸如润滑油的流速 润滑油量 润滑喷嘴 的个数以及润滑喷嘴的设计等 并应用到其公训开发的产品上 1 1 7 1 1 3 油气润滑高速电主轴热分析研究现状 1 3 1 国内研究现状 大陆以及台湾学者已经对电主轴热态分析技术做了一定的研究 提出了基于热误差的电主轴热变形数学 2 第一章绪论 模型 并经过试验验证了该模型具有较高的精度和鲁棒性 1 8 1 对高速角接触球轴承的发热特性和热传递特性 进行了分析和计算 1 9 1 使用热流网络法 驯和有限元软件a n s y s 2 1 1 分析了主轴 轴承系统温度场 使用装置测量 并逆向计算出接触热阻然后进行热分析1 2 2 计算并修正钢球和陶瓷球轴承摩擦系数f 矧等 1 3 2 国外研究现状 为了研究油气润滑电主轴以及其他使用油气润滑方式的部件的温度场分布情况 很多学者使用了多种多 样的方法进行了热建模分析 1 8 珏2 8 1 国外对于主轴 轴承系统的热分析研究主要表现为分别使用有限元法i 强2 9 l 和有限差分法 z 4 z s 2 9 进行建模分析 比如 韩国学者j i nk y u n gc h o i 等用a n s y s 分析了五轴联动加工中心的主 轴 轴承热系统的态特性 与试验数据比较 表明了有限元方法进行热分析计算的有效性幽i p u r d u e 的b e m d b o s s m a n n s 和j a yet u 提出了高速电主轴的有限差分模型 用来描述高速电主轴热量分布 分析了电主轴的传 热机理 2 4 1 同时 又进一步提出了能量流动模型 可以定景分析主轴的发热特性p l 此外 有学者建立了综合模型研究高速电主轴的热态与动态特性l z 6 以及陶瓷球轴承在高速下的力学与发 热特性p o l 不同的润滑方式对角接触球轴承的使用性能和寿命以及电主轴的特性有很大的影响 ff a r c a s 研究 了油脂润滑参数对角接触球轴承使用寿命的影响情况 给出了计算公式 并通过试验进行验证p u s h y e o 等建模研究了超高速磨削电主轴使用油气润滑时的特性 并通过试验进行验证 l z j 1 4 论文研究内容 1 4 1 高速滚动轴承油气润滑试验研究 本文针对上述研究中存在的不足 使用自主开发的高速滚动轴承油气润滑试验台 主要研究d m n 1 0 x 1 0 6 m m r p m 工况下各参数的影响 同时兼顾d m n 1 0 x 1 0 6 m m r p m 工况下各参数的影响 同时兼顾d m n 1 0 x 1 0 6 m m r p m 和d m n 1 0 x 1 0 6 m m r p m 两种情况下 的油气润滑特性 主要研究结论如下 1 相同工况条件下 钢球轴承在管长为1 5 m 时获得较低的温升 陶瓷球轴承的温升随着管长从l m 增加 到3 m 旱缓慢增长趋势 2 不同的转速下 都存在着合适的预紧力值使得轴承的稳态温升最低 在高速时 合适的颁紧力将自 效 地减小温升 3 随着转速的增加 供油周期应该适当减小 两款轴承都存在着对应温升最低点的合适的供油周期范围 陶瓷球轴承的范围大于钢球轴承 18甜 挖 伯侣仃侣佰 馏住 98 7 6 5 东南大学硕士学位论文 4 不同的油品由于基础油和添加剂不同对轴承温升的影响也不同 陶瓷球轴承冈油品而引起的温升波动 小于钢球轴承 5 形成完整的油膜后 在润滑油适晕时 粘度对两款轴承的温升影响均微弱 但是超过一定的粘度范围 后 温升增加明显 油膜不完整时 随着粘度的增加 两款轴承温升趋势迥异 6 对于陶瓷球轴承 喷嘴参数的改变对温升几乎没有影响 对于钢球轴承 参数改变对温升影响很大 7 随着转速增加 钢球轴承的温升明显增加 尤其是高速时增加剧烈 陶瓷球轴承从5 0 0 0 r p m 到2 0 0 0 0 r p m 时的温升缓慢 从2 0 0 0 0 r p m 到3 0 0 0 0 r p m 时温升比较明显 两款轴承温升增加的幅度随着转速增加而 逐渐增加 通过试验发现 油气润滑参数对轴承润滑性能有很大的影响 在油气润滑条件下 尤其是在高速和超高 速时 陶瓷球轴承的性能明显优于钢球轴承 研究获得的结果 不仅可以提供合适的油气润滑参数以获得较 低的轴承温升 同时可以为设计低热变形 高精度的电主轴提供参考 第四章高速滚动轴承油气润滑试验件热分析 4 1 概述 第四章高速滚动轴承油气润滑试验件热分析 前一章进行了油气润滑参数的试验研究 本章在前一章的基础上对试验件进行热分析 电机的热源就是 电机损耗集中的部位 本试验台的热源不需要考虑电损耗 磁损耗和附加损耗 所以热源主要来自轴承的摩 擦发热及转子零部件高速旋转时与空气间的摩擦损耗 机械损耗 本文设计的油气润滑试验台 其试验件 部分的热源主要是轴承摩擦生热 以及少量的风耗 冷却方式主要是冷却空气 本章结合本试验件结构 本章使用文献提出的模型 计算生热率 热传导率 辐射率等热分析相关参数 使用a n s y s 软件进行试验件 钢球轴承 二维热分析建模 得出试验件在不同转速以及不同预紧力下的温度 场分布情况 与试验测得的温度进行对比分析 验证热分析模型 4 2 试验台定子和转子间气隙的机械损耗计算 在该试验件中 机械损耗主要是由于转子零部件高速旋转时与空气间的摩擦损耗 总损耗中大部分是这种 损耗产生的 主要位于定 转子问的气隙 1 3 7 当有轴向流动的情况下 定 转子问气隙中流体紊流时的摩擦损耗按下式计算 p s 1 6 x a l 0 2 c b 耐d p 式中只 单位为k w p 和知 l 转子直径和长度 m c o 转子角速度 r a d s p 空气密度 k g m 3 计算流阻系数c 厶可用阿尔特舒尔公式 矿o 0 5 c 等 詈0 2 5 式中 一一粗糙表面的凸起高度 m d 气隙 m b d 转子表面相对粗糙度 r e p d p 如 雷诺数 扣 空气的运动粘度 m m 2 s 定 转子问的气隙损耗生热率按照下式计算 专南4 p 9 4 1 4 2 4 3 式中如 转子部件内径 m 冷却压缩空气初始温度为1 0 c 一2 0 c 之间 与轴承强迫对流换热后 温度在2 0 0 c 4 0 0 c 之间 则小同温 度下空气的密度及运动粘度如表4 1 所示 表4 1 空气密度及运动粘度 温度 o c 密度以k g m 3 运动粘度 f r m m 2 s 2 01 2 0 51 5 1 东南大学硕士学位论文 4 01 1 2 71 7 转子部件固定参数值如表4 2 所示 表4 2 部件固定参数值 r 甲均外径d p m 内径d m 长度 p m 粗糙表面凸起高度体 m 气隙d m 0 0 3 6 0 0 3 0 0 1 0 3 3 2 e 一60 0 0 6 所以不同温度下对应不同转速的转子部件生热率如表4 3 所示 表4 3 转子部件生热率 转速空气温发热功率生热率 n r p m 度矸q只 w q w m 3 2 03 8 41 1 9 9 6 0 1 0 0 0 0 4 03 6 31 1 3 2 7 5 2 02 9 4 79 2 0 0 2 2 2 0 0 0 0 4 02 7 7 28 6 5 4 0 3 2 09 7 9 13 0 5 6 3 6 1 3 0 0 0 0 4 09 1 9 52 8 7 0 1 9 2 4 3 轴承的发热分析及计算 4 3 1 滚动轴承摩擦力矩产生机理 轴承的摩擦按产生阻力的机理和产生部位的小同 可分为以下 氍判3 2 1 1 弹性滞后引起的纯滚动摩擦 滚动体在负荷作用下沿滚道表面滚动 接触表卣下的材料产生弹性变形 在接触消除后 弹性变形的主要部分恢复 但是试验观察到 在负荷增加时 给定心力所对应的形变总是小 于负荷减少时的形变 这称为弹性滞后现象 它反映了一定的能晕损失 表现为滚动摩擦阻力 2 差动滑动引起的摩擦 发生在内圈滚道和滚动体接触区 滚珠滚动时 内罔滚道表面线速度与到轴承 轴线的距离成正比 接触面各点到滚动体自转轴线的距离 1 i 相等 冈此备点的线速度也j b s l i 等 只有在某两 点发生纯滚动时 在接触面的i l i 间部分和两侧产生方向相反的滑动 称为筹动滑动摩擦 3 自旋滑动引起的摩擦 钢球沿套圈滚道可能产生绕接触面法线的旋转运动 由此引起的滑动摩擦称为 自旋滑动摩擦 4 滑动接触部位的摩擦 滚动轴承中有许多滑动接触部位 主要发生在滚动体和保持架兜孔 保持架与 引导面 滚子端面与挡边之间等滑动 5 润滑剂的粘性摩擦 滚动体和保持架在旋转时 通过充满油气混合物的空问所受到的润滑剂的绕流阻 力 即搅动阻力 在使用润滑脂的轴承l f i 润滑脂的摩擦阻力和搅动阻力将占有主要的比例 4 3 2 轴承的发热计算 轴承的发热计算主要参考文献1 3 2 3 6 3 8 3 9 随着土轴转速的增加 轴承内部的摩擦发热越来越严重 轴承内部发热和热分布是一个复杂的二三维问题 对问题进i 简化 可作假 发如下 1 稳态热传递 2 维 温度分布 3 接触区的发热与时问无关 接触区t 的发热是由于滚动体与滚道之 自j 的摩擦损失和滚动阻力而产生的 p a l m g r e n 推导了计算轴承摩 擦力矩的经验公式 认为在中等载荷和l i 等转速条件下 摩擦力矩m 主要由空转时润滑油粘性产生的摩擦力矩 m o 和与速度无关的载荷作用产生的摩擦力矩m 1 两部分组成 第四章高速滚动轴承油气润滑试验件热分析 m m o m 1 1 0 7 脚游诚3 l 督b 叩 式中m 轴承摩擦力矩 n m m 而 取决于轴承设计和润滑方式的系数 f o l 取决于轴承设计与载荷的系数 对于单列角接触球轴承 o 0 0 1 3 刀 轴承内罔旋转速度 r p m v o i 运转温度下润滑剂的运动粘度 m m 2 s d 轴承节圆直径 r a m e 轴承的当量静载荷 n 对于 面对面 安装的一套接触角为1 5 0 的角接触球轴承 e e 0 9 4 f a 当b b 时 只 f r b 和凡分别为轴承承受的径向和轴向载荷 g 轴承额定静载荷 n 而 决定轴承摩擦力矩的计算载荷 n 对于单列角接触球轴承 毋 f o 0 1 f r 接触角不为零时 球与内外沟道的接触区存在自旋滑动 低速时可以忽略 但是高速时自旋运动十分严 重 必须考虑 自旋滑动摩擦力矩尥可用下式计算 m s m 3 1 z s q o r a l e 4 5 式中尬 单位 n r a m 雎 禳动体与滚道接触区滑动摩擦系数 角接触球轴承一般为 0 0 1 0 0 6 考虑到热分析计算值 往往偏人 所以此处取0 0 1 q o 滚动体与滚道法向接触载荷 n 可以由下式计算 q o j a e 玉 z s i n a 凡 为轴承承受的轴向载荷 n l d 轴承轴向负荷积分 此处杏利3 2 1 得以 1 z 滚动体 球 个数 z 1 4 a 滚道赫兹接触椭圆的长半轴 r a m l e 滚道接触区的第一类完全椭圆积分 z 1 2 l e r l p 2s i n 2 矿d 妒 咭 滚道赫兹接触椭圆的长半轴口和滚道接触区的第 类椭圆积分三 p 的计算比较复杂 最终计算出a 和l p 主曲率和是两接触体在接触点处主曲率的总和 2 p j n l p 1 2 p 2 1 p 2 2 主曲率函数地 在滚动轴承中 按下式定义 砌 纽 噤蚓 2 p 对于钢球角接触球轴承 在钢球和内罔之间主曲率函数为 4 6 下面开始逐步计算 4 7 4 8 东南大学硕士学位论文 f 肛 石1 五万 2 丽y 1 y 肛 击卜去 1 2 一r r 式中 五 轴承内圈滚道曲率半径系数 y 百d b c d s t z a 初始接触角 此处a 1 5 d 6 轴承钢球直径 m m 又由弹性接触的赫兹理论有 f p 1 k 百z l 而 e 丽2 k z k e 式中酢 为第一类完全椭圆积分 k 5 z丽d 为椭网的偏一心率 m m 4 9 4 1 0 4 1 1 k b a 根据l p 酢 为p 的函数 r tk 也可以表示为e 的函数 所以求出主曲率比 后 使用式 4 1 1 经过计算 得出椭圆偏心率e 从而可以得出 p 驭p 和k 的值 同样 由弹性接触的赫短理论有半长轴a 的表达式 a2 m 口 式i l 1 2 为两种接触材料的泊松比 e 1 e 2 为两种接触材料的弹性模晕 n r a m 2 朋口2 4 1 2 分别计算出轴承的各个主要摩擦力矩后 轴承的发热景按照下式计算 a o m t o t a 1 0 0 0 玎 l m m 1 m 3 0 0 0 0 4 1 3 式中 q 单位 w 由于轴承的旋转速度很快 所以可以将轴承滚动体等效为一个半径为队 2 的实心圆环 圆环的截面积为 d b 与滚动体的直径相等 所以轴承的生热率为 9 q a zx0 001d x 0 001db 2 2 4 1 4 第四章高速滚动轴承油气润滑试验f t 热分析 式中 q 单位 w m 3 对于角接触钢球轴承7 0 0 6 c 各参数值如表4 4 所示 4 3 3 轴承润滑油粘度确定 表4 4 角接触钢球轴承7 0 0 6 0 参数值 参数 单位 数值 l 0 0 0 1 3 ao1 5 玩 r a m 4 2 5 c n 1 1 6 e 0 4 e n 0 9 4 f f j 0 0 f a 胁 o 0 0 2 厶 e 1 z 个 1 4 d b m m 7 1 4 4 五 0 5 1 4 l o 3 e 1 n i n l l l 2 2 0 8 e 0 5 胞 o 3 e 2 n r a m 2 2 0 8 e 0 5 由式f 4 4 可以发现 轴承的发热帚与润滑剂的运动粘度有很人的关系 运动粘度越大 发热骨 就越大 由 摩擦润滑理论可知 温度对润滑剂的运动粘度仃显著的影响 液体润滑剂的粘性是由分子间的吸引力作用的 结果 当液体的温度升高时 体积膨胀 分子的距离增人 分子问的吸力减弱 导致润滑剂的粘度下降 润 滑油的粘度随着温度的升高而变小的性质称为粘温特性 粘温特性是润滑油的重要性质 对于液体粘度与温度问的关系 比较准确的石油产品的粘度 温度关系是瓦尔塞 w a l t h e r 方程 一j l g l 咖 口 6 一c l g r 4 1 5 其1 1 1 1 为运动粘度 r 为绝对温度 a b c 是与油品组成自 关的系数 其中a 通过实测很多l f l 油的粘 温关系 经过统计分析得出为0 6 b 及c 可以通过具体油品的两个 f i 同温度下的粘度代入瓦尔塞 w a l t h e r 方程求出 油气润滑时采用长城l h m 4 6 号抗磨液压油 通过查找资料得知该润滑油在4 0 0 c 时的粘度为4 6 c s t 在 1 0 0 c 时的粘度为6 7 c s t 从而可以求得b 9 5 9 1 9 和c 3 7 5 4 6 其不同温度下的运动粘度可以通过瓦尔塞方程 求出 如表4 5 所示 表4 5 长城4 6 抗磨液压油粘温关系 温度 运动粘度v o i l m m s 3 07 6 4 0 4 6 5 02 9 7 6 02 0 4 7 0 1 4 6 8 01 0 9 9 0 8 4 东南大学硕七学位论文 4 3 4 轴承生热率 1 0 0 l 6 7 对于角接触球轴承 油雾润滑时 3 2 1 o 1 试使用该系数值计算油气润滑时的轴承发热蹙 4 甜长城抗磨 液压油 温度为4 0 c 7 0 c 和8 0 时 不同转速及预紧力下的轴承生热率分别如表4 6 表4 7 和表4 8 所 示 文中仅列出以上三种温度下的生热率值 其他温度下的生热率也经过计算 在此没有列出 表4 6 角接触钢球轴承7 0 0 6 c 生热率9 w m 3 4 0 c 转速 r p m 预紧力 n 1 0 0 0 02 0 0 0 03 0 0 0 0 1 0 09 1 7 9 8 9 92 8 8 8 6 8 5 25 6 5 7 4 6 3 4 2 0 09 5 1 3 0 3 82 9 5 5 3 1 3 1 5 7 5 7 4 0 5 2 3 0 09 9 0 9 1 0 03 0 3 4 5 2 5 55 8 7 6 2 2 3 7 4 0 01 0 3 5 2 4 9 63 1 2 3 2 0 4 86 0 0 9 2 4 2 7 5 0 01 0 8 3 4 7 8 23 2 1 9 6 6 1 96 1 5 3 9 2 8 4 6 0 01 1 3 5 0 5 1 03 3 2 2 8 0 7 56 3 0 8 6 4 6 7 表4 7 角接触钢球轴承7 0 0 6 c 生热率9 w m 7 0 转速 r p m 预紧力 1 0 0 0 02 0 0 0 03 0 0 0 0 1 0 04 3 9 5 8 2 1 1 3 6 8 9 8 4 7 2 6 6 9 7 3 2 6 2 0 04 7 3 9 9 6 61 4 3 7 8 1 3 7 2 7 7 2 9 7 6 0 3 0 05 1 4 9 1 1 21 5 1 9 6 4 2 8 2 8 9 5 7 1 9 8 4 0 05 6 0 7 1 5 61 6 1 1 2 5 1 6 3 0 3 3 1 3 3 0 5 0 06 1 0 5 3 7 41 7 1 0 8 9 5 33 1 8 2 5 9 8 4 6 0 06 6 3 8 1 3 91 8 1 7 4 4 8 23 3 4 2 4 2 7 9 表4 8 角接触钢球轴承7 0 0 6 c 生热率口 w m 3 8 0 c 转速 r p m 预紧力 n 1 0 0 0 02 0 0 0 03 0 0 0 0 1 0 03 6 5 7 7 0 21 1 3 4 6 4 6 6 2 2 0 9 1 2 7 8 2 0 04 0 0 1 8 4 71 2 0 3 4 7 5 52 3 1 2 3 7 1 2 3 0 04 4 1 0 9 9 31 2 8 5 3 0 4 62 4 3 5 1 1 4 9 4 0 04 8 6 9 0 3 7 1 3 7 6 9 1 3 52 5 7 2 5 2 8 2 5 0 05 3 6 7 2 5 51 4 7 6 5 5 7 12 7 2 1 9 9 3 6 6 0 05 9 0 0 0 2 01 5 8 3 1 1 0 1 2 8 8 1 8 2 3 1 4 4 试验件换热机理分析及计算 本文使用b e r n db o s s m a n n s 和j a yf t u 提出的热分析模型对试验件传热机理的分析和计纠2 4 i 4 4 1 轴承换热的分析和计算 对于轴承的传热分析和计算 b e r n db o s s m a n n s 和j a yf t u 为了便于计算 在模型i l 提出六点假设 2 6 第p h q 章高速滚动轴承油气润滑试验件热分析 1 每个球体的温度分别几乎相同 与内 外滚道只有少数几个点的接触 2 所有的球体温度都相同 因为轴承旋转很快 所以温度分布均匀 3 球体及内 外滚道接触处温度最高 逐渐向轴和外壳降低 整个模型的温度场晕连续分布状态 4 球体和内 外滚道接触处的油膜热阻忽略 因为使用油气润滑方式 供给的润滑油非常少 产生的油 膜很薄 5 模型是轴对称的 因为忽略了进气口 出气口以及螺栓等微小结构 6 轴承外圈与外壳之间的间隙沿周向均匀分布 需要计算气隙的导热系数 轴承内圈与轴为过盈配合 导热系数是常数 4 411 轴承与压缩空气间的对流换热 油气润滑中使用了很少量的油 本试验中的用油量仅为0 7 5 c m 3 h 一0 1 1 2 5t i l l 3 h 而每个轴承的强制冷 却压缩空气流量为2 2 5 m 3 h 所以可以假设热交换主要发生在轴承和紊流状压缩空气之间 油吸收的热量忽 略小计 对于轴承内部的强迫换热 相关的换热面积可以通过下式计算 4 4 z 4 以 譬饵 肛 z 订珥 譬讧 成 4 1 6 式中以 内圈平均直径 r a m 腓 内圈滚道曲率半径 以 外罔平均直径 i i l i n 几 外圈滚道曲率半径 因为轴承在润滑l j 存在受迫轴向气流 所以轴向气流流经轴承内外滚道间的面积表示如下 丸 一d 试验件内部的气流呈紊流状 气体的合成速度可以通过径向和轴向速度卺加获得 型 生 州 等2 半 2 舵 式i f i圪f 压缩空气流晕 m 3 h 所以轴承与压缩空气间的对流换热系数可以通过一个简单的多项式表示 1 7 c o c l c 2 4 1 7 4 1 8 4 1 9 式中 叩 单位 w m 2 k c o 取9 7 c l 取5 3 3 c 2 取o 8 压缩空气流晕一定的情况下 彳i 同转速时角接触钢球轴承7 0 0 6 c 的对流换热系数如表4 9 所示 表4 9 角接触钢球轴承7 0 0 6 c 对流换热系数 转速 l r p m 圪订 m 3 h d i m m d o r a m d r a m 7 w m 2 k 1 0 0 0 0 4 9 3 2 0 0 0 02 2 53 3 5 5 1 54 2 57 4 8 3 0 0 0 0 9 8 8 4 4 1 2 轴承球体与滚道间的传导换热 二下面关于轴承滚动体与滚道问的接触热阻的计算 主要参考文献 2 4 3 8 4 1 1 a 东南人学硕七学位论文 混合边界条件下的接触热阻 经过第一类完全椭圆积分后为 r 生 4aa 式中 f i 2 t z 了i 露d 丽o 为与接触面积相关的几何参数 七 1 一竺 a 半空间的导热系数 w m a 接触椭圆的半长轴 m l l l 则轴承的一个滚动体与内圈滚道的接触热阻为 瓦2 赤 赤 式中 2 l 屯 分别为滚动体 内圈的导热系数 则所有滚动体到内圈的接触热阻为 接触热阻的倒数即为轴承的热容量 吃 如 z i i 1 吃 4 2 0 4 2 1 4 2 2 4 2 3 轴承滚动体到外罔的接触热阻也可以使用相同的方法计翼 由于半长轴a 是颅紧力的函数 所以接触热阻 也与顶紧力相关 对于钢球轴承7 0 0 6 c 4 i 同预紧力对j 衄的球体到内圈和外圈热奔最如表4 1 0 所示 表4 10 角接触钢球轴承7 0 0 6 c 内外圈热容量h w k 热容晕 顶紧力 n w k 1 0 02 0 03 0 04 0 05 0 06 0 0 内圈0 3 3 6 80 4 2 4 30 4 8 5 80 5 3 4 60 5 7 5 90 6 1 2 0 外圈 0 3 1 0 20 3 9 0 80 4 4 7 40 4 9 2 40 5 3 0 40 5 6 3 7 4 4 1 3 轴承外圈与外壳间的传导换热 轴承外圈与外壳间是问隙配合 其热传导系数可以看作是配合间隙的函数 轴承外罔厚度定义为热传导 路符长度 则当晕导热奔晕为 西 n 5 互i 忑 4 k 式巾n 热传导热容景 w k h 厶扣 分别为轴承外网材料和空气的导热系数 w m j l 嘲 j i l 9 4 分别为轴承外圈厚度和外壳周向 f 均问隙厚度 m m a 万 d b 轴承外圈环状外表面的面积 m 2 其i l d 为轴承外径 m m b 为轴承宽度 m m 则轴向平均气隙j i l 聊可以通过下式计算 4 2 4 第四章高速滚动轴承油气润滑试验件热分析 h g a p 一 聊 一 一瓦 口哪一 s 暑一瓦 口砌s i n g s i g r 42 5 式中 l 删 平均间隙的初始厚度 m m z k 死 z k 曲l g 分别为稳态轴承温度 室温 稳态外壳内腔温度 口砌g a h o u d n g 分别为轴承外圈材料和外壳材料的线性热膨胀系数 l k 加 外壳与轴承问隙配合的孔直径 m m 固定参数值如表4 1 1 所示 表4 11 固定参数值 参数 单位 数值 k w m 6 0 5 j i l 嘲g r a m 3 5 d r a m 5 5 b r a m 1 3 h g 口p o r a m 0 0 1 5 t o 2 0 口而喀 1 吗 1 4 e 5 口概咖 1 k 1 1 6 e 5 r h s i n st m m 5 5 轴承外圈与外壳间的热容量值如表4 1 2 所示 表4 12 轴承外圈与外壳间的热容量 l i n g 死 咖g 屯打 w m n w k 热阻 w m 2 k 2 02 00 0 2 5 73 5 01 5 5 9 4 03 80 0 2 7 12 3 01 0 2 4 4 4 2 试验件定 转子问换热的分析和计算 4 4 2 1 试验件转子换热的分析和计算 由于使用油气润滑 供油曼很少 所以转子及部件与定子间的流体主要是压缩空气 则压缩空气与转子 部件的对流换热系数可以通过下面 系列的计算获得 当转速和压缩空气流量 定时 则压缩气体的合成速 度可以求得 从而可以确定雷诺数 式l l l u 压缩气体合成速度 见式 4 1 8 d 气隙 m f r 空气的运动粘度 m m 2 s 反映流体特性的普朗特数为 式中 c 口扣 空气的比热容 j k g f 空气动力粘度 k g s m 2 紊流时努谢尔特数可以选择下式计算1 4 2 1 u 6 r e 4 2 6 p r 警 4 2 7 九妒 7 7 东南大学硕士学位论文 上式适用条件为 所以对流换热系数为 饥一0 1 3 3 r e 2 口p r 怕 r e 4 3 x 1 0 5 0 7 p r 1 0 x 1 0 6 m m r p m 工况下各参数的影响 同时兼顾d m n 1 0 x 1 0 6 m m r p m 工况时参数的影响 试验中最高 转速为3 0 0 0 0 i v m d r a 4 2 5 r a m d m n 1 2 7 5 x 1 0 6 m m r p m 使用7 0 0 6 c p 4 钢球轴承和b 7 0 0 6 c p 4 陶瓷 球轴承继续进行了一系列油气参数的单冈素研究 获得了基础数据 观察了油气润滑特性 寻找到了参数 影响规律 主要研究了如下参数 油气供给管道长度 轴承预紧力 润滑油供油周期 润滑油种类 润滑 油粘度 润滑喷嘴 主轴转速 同时对钢球轴承和陶瓷球轴承进行了对比分析 分析了两款球轴承的使用 性能差异 3 本文设计的油气润滑试验台 其试验件部分的热源主要是轴承摩擦生热 以及少量的风耗 冷却方式主要 是冷却空气 结合该试验件结构 使用文献提出的模型 计算了生热率 热传导率 辐射率等热分析相关 参数 使用a n s y s 软件进行了试验件 钢球轴承 二维热分析建模 得出了试验件在不同转速以及不同预 紧力下的温度场分布情况 与试验测得的温度进行了对比分析 对热分析模型进行了验证 研究表明 理 论计算值明显高于试验值 目前没有热分析模型适合高速 使用油气润滑t 况的电主轴 需要进 步研究 和完善 5 2 论文展望 本文只研究了油气润滑参数对两款相同直径的陶瓷球轴承和钢球轴承的温升影响情况 不同直径的陶瓷 球轴承和钢球轴承的温升情况自 待进 涉研究 此外 润滑油中不同的添加剂的抗磨减磨作用 比如纳米铜 等对轴承温升的影响需要研究 管道的直径以及管道的材质对轴承温升的影响 喷嘴对轴承外阁和内罔温升 的综合影响等等有待进 一步研究 本文将理论结果与试验获得的结果进行对比分析 发现理论计算值明显高于试验值 研究表明 目前没 有热分析模犁适合高速 使用油气润滑工况的电主轴 需要进一步研究和完善 比如通过研究力矩 改进和 完善高速油气润滑轴承力矩公式 进一步研究电主轴中油气润滑换热系数 此外 在研究钢球轴承的基础上 进 步开展陶瓷球轴承的高速油气润滑轴承力矩公式研究 东南大学硕士学位论文 致谢 值硕士生涯即将结束 毕业论文即将完稿之际 非常感谢关心和帮助过我的老师 同学 朋友和亲人 首先 衷心感谢我的导师蒋书运教授 感谢导师在论文选题 论文试验的开展 论文撰写及修改等诸 多过程中 给予我的无私帮助和辛勤劳动 导师不仅指导我如何完成课题 而且还教授我如何去做人 做 学问 如何进行思考 创新 以及如何开展科研的方法 导师具有渊博深厚的学术功底 缜密的思维 精 益求精的作风 诲人不倦的高尚师德 平易近人的人格魅力 导师学问上的严谨 工作上的努力更是我辈 学习的典范 在此 谨向我的导师蒋书运教授致以崇高的敬意和感谢 衷心祝愿导师获得更加重大的科研 成果 桃李满大下 其次 感谢我的父母以及其他亲人在我读研期间对我的支持和鼓励 最后 感谢同门师兄 师弟 师姐和师妹 感谢舍友 感谢其他同学和朋友 他们曾为我的学习和生 活提供了许多帮助 3 8 参考文献 1 0 1 l 1 2 1 3 j 1 4 1 5 1 6 1 7 1 8 1 9 2 0 2 1 2 2 2 3 2 4 2 5 2 6 2 7 参考文献 杨和中 刘厚飞 气液两相流体冷却润滑技术一油气润滑 j 液压与气动 2 0 0 4 1 8 4 8 5 s h y e o l r a m e s h z h o n gz w u l t r a h i g h s p e e dg r i n d i n gs p i n d l ec h a r a c t e r i s t i c su p o nu s i n go i l a i rm i s t l u b r i c a t i o n j i n t e r n a t i o n a lj o u r n a lo fm a c h i n et o o l s m a n u f a c t u r e 2 0 0 2 4 2 8 1 5 8 2 3 b r h o h n km i c h a e l i s h p o t t o m i n i m i s e dg e a rl u b r i c a t i o nb yam i n i m u mo i l a i rf l o wr a t e j w e a r 2 0 0 8 d o i 1 0 1 0 1 6 j w e a r 2 0 0 8 0 4 0 3 7 杨和中 刘厚飞 气液两相流体冷却润滑技术一油气润滑 j 液压与气动 2 0 0 4 6 8 1 8 2 杨和中 刘厚飞 气液两相流体冷却润滑技术一油气润滑 j 液压与气动 2 0 0 4 7 7 5 7 6 周延佑 李中行 电主轴技术讲座 第一讲电主轴概述 j 制造技术与基础 2 0 0 3 6 6 1 6 3 y rj e n g c cg a o i n v e s t i g a t i o no ft h eb a l l b e a r i n gt e m p e r a t u r er i s eu n d e ra no i l a i rl u b r i c a t i o ns y s t e m j p r o e l n s t nm e c he n g r s 2 0 0 1 2 1 5 p a r tj 1 3 9 1 4 8 w e c km k o c ha s p i n d l e b e a r i n gs y s t e m sf o rh i g hs p e e da p p l i c a t i o n si nm a c h i n et o o l s j a n n c i r p 1 9 9 3 4 2 1 4 4 5 4 4 8 l e w i n s c h a llb e a r i n gs y s t e m sf o rh i g hp e r f o r m a n c em a c h i n et o o l s r s k fp r e c i s i o nb e a r i n g s s w e d e n a p r i l 1 9 9 2 s c h r a m ar c c o n s u m a b l el u b r i c a t i o ns y s t e m s j l u b r i c e n g n g 19 9 3 4 9 1 8 1 7 杨柳欣 李松生 高速电主轴轴承的油气润滑及其应用 j 轴承 2 0 0 3 3 2 3 2 5 李松生 张钢 陈晓阳 等 超高速电主轴轴承的润滑条件分析 j 润滑与密封 2 0 0 5 5 1 6 2 1 6 5 王建文 巩彬彬 刘俊 等 滚动轴承油气润滑性能的试验研究 j 华东理工大学学报 2 0 0 7 3 3 3 4 3 6 4 4 0 张俊国 巩彬彬 王建文 等 油气润滑滚动轴承最佳供油量试验研究 j 润滑与密封 2 0 0 6 1 0 1 6 8 1 7 0 巩彬彬 张俊国 王建文 等 油气进日位置和进气量对油气润滑滚动轴承性能影响的研究 j 润滑与密封 2 0 0 6 11 1 1 6 5 1 6 7 c h e n g h i s e nw u y u t a ik u