电主轴热态特性对轴承转子系统动力学特性的影响研究

1、电主轴热态特性对轴承转子系统动力学特性的影响研究 h钆鞋量：，t 学校代号： 1073l 学 号： D0508020l 02 密 级： 公开 兰州理工大学博士学位论文 电主轴热态特性对轴承转子 系统动力学特性影响研究 I ThermalCharacteristicsof Motorized - on Highspeed Study ofBall ItsEffecton Characteristics and Dynamic Spindle BearingRotorSystem By WANGBaomin of 996 UniversityTechnology 1 BE Liaoning ofT

2、echnology 2003 MS LanzhouUniversity in satisfactionofthe Adissertationsubmitted partial forthe of degree Requirements Doctorof Engineering ln Mechanical andAutomatization Manufacturing inthe GraduateSchool of Lanzhou of Technology University Supervisor HU Professor Chibing OctobeL2009 兰州理工大学 学位论文原创性

3、声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取 得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其 他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个 人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果 由本人承担。 作者虢王锦式 日期：砷年I。月I，Et 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查 阅和借阅。本人授权兰州理工大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入 有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复

4、制手段保存和汇编本 学位论文。 本学位论文属于 l、保密口，在 年解密后适用本授权书。 2、不保密团。 请在以上相应方框内打“ 作者签名： 王彳乐氏 日期：刀哆年陟月ff日 导师签名：彳桶荔z受 日期：2罗年二月，r日 一 兰州珲工大学博士学位论文 摘 要 高速电主轴是实现高速加工的核心功能部件，它的动力学特性对加工精度、 刀具和轴承寿命等有着重要的影响。然而，随着电主轴转速和功率的不断提高， 发热问题已成为影响电主轴轴承一转予系统动力学性能的主要因素。本文以高速 电主轴为研究对象，首先对其热态特性进行理论和试验研究，并推导了轴承内外 圈及滚动体热位移计算公式。在此基础上，进行了计入内外圈及滚

5、动体热位移影 响的电主轴轴承动力特性以及轴承一转子系统动力学特性研究。本文的主要研究 工作和获得的结论如下： 1 基于传热学理论，应用有限元法分析了电主轴热稳定状态下的温度场分 布及其影响冈素，并通过试验加以验证。计算结果表明，在热稳定状态下，主轴、 转子和前后轴承的温度较高，提高油水冷却系统和油气润滑系统的冷却效率，可 有效控制轴承外圈的温升，但对轴承内圈、滚动体及主轴温升的影响很小。试验 结果证明了电主轴热态特性有限元计算结果是正确的。 2 应用弹性力学理论，推导了角接触球轴承零件热位移计算公式。计算结 果显示，轴承内圈沟道的径向热位移最大，外圈的热位移次之，滚动体的热位移 最小。 3 应

6、用Hertz接触理论、滚动轴承动力学和沟道控制理论，建立了计入热 位移影响的高速角接触球轴承基本方程，探讨了计入热位移影响的角接触球轴承 动刚度等动力特性的数值计算方法，编写了相应程序，并结合具体算例加以分析， 最后通过试验数据加以验证。计算结果表明，计入热位移影响时，高速条件下角 接触球轴承内外接触角之间的差值明显减小，滚动体的离心力略有减小、陀螺力 矩略有增大，滚动体与内外圈的接触变形、接触应力、接触载荷和接触椭圆参数 等明显增大，滚动体与内圈的旋滚比明显减小，轴承寿命大幅缩短；内外圈及滚 动体的热位移不仅补偿了轴承动态刚度在高速条件下的软化，而且使轴承刚度有 了较大幅度的提高；轴承结构参

7、数、过盈配合和预紧等不同时，热位移对轴承动 态刚度的影响程度也不同。试验证明计入热位移影响时角接触球轴承动态刚度的 计算值更加接近实际。 4 基于轴承一转子系统动力学理论，探讨了轴承转子系统固有频率和不平 衡响应的求解方法。结合具体算例，应用有限元法分析了热位移引起的轴承刚度 变化对电主轴轴承一转子系统动力学特性影响。计算结果表明，计入轴承热位移 本研究得到973课题“超高速柔件主轴系统高精度动平衡的数学力学原理” 2009CB724405 和863课题“高档数控机床综合动态特性在线测试系统” 2005AA042405 的资助 电丰轴热态特性对轴承一转子动力学特性的影响研究 的影响时，电主轴轴

8、承一转子系统一阶固有频率有较大幅度的提高，而轴端不平 衡响应位移有所减小；轴承热位移对轴承一转子系统一阶固有频率的影响随转速 的增加而增大，而对轴端不平衡响应位移的影响随着转速的增加而减小；轴承预 紧方式、支承跨距和转子结构参数等不同时，轴承热位移对轴承一转子系统动力 学特性的影响程度也不同。 研究表明，在高速条件下，轴承热位移已成为影响轴承一转子系统动力学特 性的主要因素，考虑其影响必将使电主轴动力学计算更加精确、更加符合实际。 关键词： 高速电主轴；热态特性；角接触球轴承；动态刚度； 轴承一转子动力学； 论文类型： 应用基础研究 U 兰州理工大学博十学位论文 ABSTRACT for a

9、technologydrasticallyincreasing machining HSM ispromising Highspeed and costsH motorizedis productivitydecreasingproductionighspeed spindlestrategically characteristicsa rolein criticalto of veryimportant HSM，itsdynamic play implementation affectdimension lifeandnoise since finish，toollife，hearing m

10、achiningthey accuracy，surface amountsofheatintomotorized builtinmotorintroduces However，the large spindle，thermal the characteristicsof of induced riseaffectsdynamic displacementbearing bytemperature ofmotorizedare in motorized thermalcharacteristics spindleexplored spindleTherefore，the of in and el

11、ement thedissertationOnthebasisit，thermaldisplacementsproducedringsrolling ball on ofthermal in contact are displacementangular bearingdynamic investigatedEffects characteristicsof andon characteristicsof are bearing dynamic bearing-rotorsystem ofstudiesareasfollows andconclusions investigatedDetail

12、s methodthe onthetheheattransfer thefiniteelement temperature 1 Based theory，using show fieldofmotorizedare andconfirmedthe results analyzed by experimentsThe spindle in andshaftare the ofwater thatthe cooling bearing，rotor high，byenhancing temperature andoil-airlubrication riseofoutercanbecontrolle

13、d jacket systemtemperature ring effectively， but riseofinner andshaftcannotbe controlledThe temperature ring effectively experiments thatsimulationcan the of riseof confirm temperaturehighspeed accuratelyreproduceprocess modelandits conditionarereasonable motorized finiteelement boundary spindle，the

14、 theelastic formulasofthermal in is 2 Basedon theory，thecalculating displacementrings inferredTheResultsshowthatthermal ofinner is nextisouter displacementringhighest，the lowestis element ring，the rolling theHertzcontact and control ofthe 3 Basedon racewaytheory rolling theory,thedynamics in and num

15、erical considerationofthermal element，the bearing，in displacementrings rolling methodandits for the characteristicsof dynamic analysis correspondingprogramcalculating the are witha concrete asanexample，the givenAlso，combiningbearing spindlebearings ofthe contactball arestudied characteristics synthe

16、ticallyThe dynamic angular bearings resultsshowsthatthermal of and elementreducethedifferenceof ringsrolling displacements andincrease andouter force thecontactbetweeninner raceways，decreasecentrifugal angle contact stiffness deformation，contactstress，contactload，contact moment，increase gyroscopic a

17、ndinner andcontact ratiobetween element spin-roll rolling ellipseparameter，decrease issueMathematicalandMechanicsof Precision Theresearchissupportedby973 PrincipleHigh Flexibla 863 Balanceinthe issue“Highgrade Dynamic HighSpeedSyatem” 2009CB724405 and Characteristics CNC TestAnalysisSyatem” 2008AA04

18、2405 Dynamic 1lI 电丰轴热态特性对轴承一转子动力学特性的影响研究 the lifeof not raceway，decrease bearing；Also，thermaldisplacementsonlycompensatebearing radialstiffness in conditionbutalso increase softeninghigh-speed stiffness，the greatly bearing effectof thermal onitsstiffness on bearing displacement dependracewayradius，c

19、ontact of andSOonThe confirmthat angular，materialrollingelement，interface，preload experiments ofthermal in and elementthecalculation considering displacementrings rolling valueof stiffnessismoresuitableforthe bearing practice onthe ofthe 4 Baseddynamicstheory bearing-rotor of thermal system，consider

20、ingbearing methodforthe characteristicsofthe displacement，the solving dynamic bearing-rotor system are show results stiffnessincreaseinducedthermal investigatedThe that，bearing by increasethefirstnatural and decreaseunbalance effecton displacement frequency response，its thefirst natural increasebuti

21、tseffectonunbalance decrease frequency response withthe increaseofrotational effectof thermal on speedAlso，thebearing displacementbearing-rotor characteristicson dynamic structuredimensionandSOon dependpreload，bearingspan，rotor Itisshownthatin conditionthermal in and highspeed displacementrings elem

22、ent rolling hasbecomea factorwhichaffectsthe characteristicsof leading dynamic spindlebearing， itsinfluencethe mothedfor characteristicsof considering proposed dynamic calculating ismoresuitable bearing-rotorsystem forthe practice ， Motorized Characteristics： Keywords：High-speedspindle：Thermal ic Co

23、ntactl Bal DynamStiffness；Angular Bearing； ics Bearing-RotorDynam of Dissertation：BasicResearch Type Applied IV 兰州理工大学博士学位论文 目 录 摘要I ABSTRACT 第l章绪言1 11选题依据l 12高速电主轴轴承一转予系统动力学研究的国内外现状2 121高速电主轴热态特性研究现状2 122高速电主轴轴承动力特性研究现状3 123高速电主轴轴承一转子动力学研究现状5 13本研究的意义7 14本文主要研究内容及安排8 第2章高速电主轴的热态特性分析10 21引言10 22传热学基

24、本理论10 221导热微分方程10 222初始条件和边界条件12 223温度场有限元分析基本原理12 23高速电主轴的发热12 231内装式电机的损耗发热13 232轴承的摩擦发热14 24电主轴的传热15 241轴承油气润滑系统的对流换热15 242电机与油水冷却系统的对流换热15 243电机定转子之间的气隙对流换热16 244转子端部的对流换热16 245高速电主轴与外部空气的对流换热16 25高速电主轴的热态特性有限元分析17 251高速电主轴的有限元分析模型17 252边界条件处理17 253高速电主轴恒转速条件时的热态特性分析17 254高速电主轴轴承温升影响因素分析19 26高速电

25、主轴热态特性试验21 261试验内容和日的22 262试验装置23 V 电丰轴热态特性对轴承一转子动力学特性的影响研究 263温度测试点的布置24 264试验条件24 265试验结果与分析24 27本章小结26 第3章高速角接触球轴承内外圈及滚动体热位移分析27 31引言27 32轴承内外圈径向热位移27 321轴承内外圈径向热位移基础理论27 322边界条件29 323温度分布函数30 324轴承内外圈径向热位移计算30 33轴承内外圈的轴向热位移3l 34轴承滚动体的热位移31 35热位移引起轴承内外圈沟道的热变形32 36算例分析33 37结论33 第4章计入热位移影响的高速角接触球轴承

26、动力特性分析35 41引言35 42Hertz接触理论35 421接触椭圆的长半轴和短半轴36 422弹性趋近量36 423接触应力37 424主曲率和函数37 425 Hertz接触的简化解38 426赫兹接触刚度38 43计入热位移影响的高速角接触球轴承基本方程39 431变形几何相容方程39 432滚动体受力平衡方程41 433轴承受力平衡方程43 44计入热位移影响的高速角接触球轴承基本方程组求解43 45算例分析44 46结论52 第5章计入热位移影响的高速角接触球轴承动态刚度分析54 51引言54 52基本理论54 Vl 兰州理工大学博士学位论文 521赫兹接触刚度和轴承动刚度54

27、 522轴承过盈配合55 523轴承预紧56 53热位移对轴承动刚度的影响57 54热位移对轴承动态刚度的影响情况分析58 54I沟道曲率半径不同时热位移对轴承动态刚度的影响58 542设计接触角不同时热位移对轴承动态刚度的影响60 543滚动体材料不同时热位移对轴承动态刚度的影响61 544过盈配合量不同时热位移对轴承动态刚度的影响62 545预紧不同时热位移对轴承动态刚度的影响64 55试验验证65 56本章小结67 第6章计入轴承热位移影响的电主轴轴承一转子系统动力学特性分析68 61引言68 62电主轴轴承一转子系统的运动微分方程68 621轴承一转子系统的一阶固有频率69 622轴承

28、一转子系统的不平衡响应69 623轴承一转子系统的运动微分方程求解70 63算例分析70 63I电主轴轴承一转子系统的基本参数70 632电主轴轴承一转子系统有限元模型建立71 633电主轴轴承一转jf系统动力学特性分析7l 64轴承热位移对轴承一转子系统动力学特性的影响情况分析73 64I预紧方式不同时轴承热位移对轴承一转子系统动力学性能的影响73 642支承跨距不同时轴承热位移对轴承一转子系统动力学性能的影响75 643转子长度不同时轴承热位移对轴承一转子系统动力学性能的影响76 644转子外径不同时轴承热位移对轴承一转子系统动力学性能的影响78 645转子内孔径不同时轴承热位移对轴承一转子系统动力学性能的影响79 646转子外伸长度不同时轴承熟位移对轴承一转子系统动力学性能影响80 65本章小结82 第7章结论与展望84 71结论84 72展望85 参考文献86 附录A94 VlI 电丰轴热态特性对轴承转子动力学特性的影响研究 附图I95 致谢96 VIII 兰州理工大学博士学位论文 第1章 绪论 11选题依据 以高速切削、高速进给、高精度加工为主要特征的高速切削加工技术是当代 四大先进制造技术之一，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。它不仅具有极高的生产率，可显著地提高零件的加工精度和表 面质量，还可以解