机床主轴轴承热诱导预紧力及刚度计算与实验研究

为了研究机床主轴系统非均匀温升带来的热位移对轴承预紧力和动刚度的影响,建立了一种机床主轴系统热机耦合模型。在分析轴承摩擦损耗影响因素的基础上,确定了系统热载荷和边界条件,采用有限元方法求解了机床主轴瞬时温升和热变形,根据轴承载荷-位移关系式求解轴承的热诱导预紧力,基于改进的Jones模型计算了轴承径向刚度。最后,实验测定轴承预紧力,分析预紧力影响因素。理论计算与实验结果表明:在定位预紧下,主轴、隔圈、轴承座和轴承热位移会导致轴承预紧力和径向刚度的增加,且随着初始预紧力、转速和环境温度增加,预紧力变化幅值也增加。此外,局部冷却引起热位移的变化,从而改变轴承预紧力和径向刚度的变化规律。     

基于轴承动刚度的电主轴动态特性影响因素分析

目的研究不同条件下角接触轴承动刚度对电主轴动态特性的影响,为优化主轴动态特性提供理论支持.方法基于拟动力学研究方法求解角接触轴承动态性能,建立电主轴转子系统有限元模型分析不同轴承滚珠材料和预紧力对轴承动刚度及电主轴动态特性的影响.结果钢球轴承刚度小于陶瓷球轴承,且随着转速提高,钢球轴承刚度下降较快;装配陶瓷球轴承电主轴一阶固有频率较高,工作端位移较小;随着预紧力提高,角接触轴承刚度软化效应减弱,主轴固有频率增大,轴端位移减小.结论改用陶瓷滚珠或者适当提高预紧力都能有效改善轴承动力学特性,提高电主轴固有频率,使得主轴动态特性得到优化.     

轴承刚度对主轴-卡盘-工件系统动态特性的影响

考虑在实际工况下,主轴系统安装上卡盘和工件后动态特性会发生变化,基于有限元法完成了主轴-卡盘-工件系统模型的建立,进行轴承刚度对主轴-卡盘-工件系统动态特性的影响研究。研究结果表明:轴承刚度对两系统动态性能的影响规律不同,前、后轴承径向刚度对主轴-卡盘-工件系统动态特性的影响较大,但两者刚度影响区间不同;前、后轴承轴向刚度对主轴-卡盘-工件系统动态特性影响较小,尤其对提高系统临界转速作用不大。     

高速球轴承?转子系统动态性能的分析与优化

针对轴承刚度随转速呈非线性变化的特点,基于角接触球轴承拟静力学模型,考虑轴承内圈离心位移的影响,运用数值方法对轴承和轴承组的动刚度进行了计算。在此基础上,根据轴承-转子系统的有限元模型建立了动力学方程,并编制数值迭代程序求解其特征值,进而得到了系统的临界转速。由于转速对轴承(组)动刚度的影响,在每一次迭代计算中,需根据前次迭代计算出的临界转速求解前、后轴承(组)的动刚度,重建系统的有限元模型,因此结合Matlab优化工具箱,运用单纯形法对转子内径与轴承跨距进行了优化。分析结果表明:通过优化转子内径与轴承跨距,轴承-转子系统的一阶临界转速提高了7.65%,由于转速与内圈离心位移对轴承或轴承组动刚度的影响很大,因此在高速轴承-转子系统的动态分析中应考虑该影响因素。     

轴承预紧力对风电主轴动态特性影响的仿真分析

轴承预紧力对风电机组主轴的动态特性有着重要的影响。首先,建立了预紧力与主轴系统的关联关系,并计算了不同预紧力对应的轴承刚度值,进而分析预紧力与刚度之间的关系。然后,建立了以圆锥滚子轴承为支承的两点式和单点式支承的风电主轴的有限元分析模型,分析了预紧力对两种支承方式的风电主轴模态振型、固有频率、临界转速以及稳定性的影响。结果表明：圆锥滚子轴承预紧力增大会引起轴承刚度增大,可进一步提高主轴的固有频率、临界转速和稳定性;单点式支承比两点式支承的主轴临界转速大以及更稳定。合理选取轴承预紧力,可提高主轴的稳定性。     

定压预紧主轴轴向动态刚度特性研究

针对目前主轴动态刚度研究中存在的建模过程复杂、计算量大、忽略轴承受力分析的问题,结合理论建模及实验测试,系统研究了定压预紧主轴轴向动态刚度随轴向载荷的变化规律。基于球轴承轴向载荷与轴向变形的经验公式,建立了定压预紧主轴轴向动态刚度分析模型,理论推导出定压预紧主轴轴向动态刚度随轴向载荷的变化关系;设计了定压预紧主轴动态刚度测试实验,实现了对工作状态下主轴轴承位移量及相应轴向载荷的精确测试;求解了主轴的轴向动态刚度,并与仿真数据进行了对比。实验结果表明:在前轴承内外圈压紧方向,随着轴向力的增大,主轴的轴向刚度呈现增大趋势;在前轴承内外圈脱离方向,随着轴向力的增大,其主轴的轴向刚度先减小后趋于定值。实验结果验证了模型仿真的有效性和正确性。     

锥孔双列短圆柱滚子轴承的动态特性分析

建立了锥孔双列短圆柱滚子轴承动态特性分析理论,用Matlab工具开发了具有自主知识产权的分析软件.以3182120型锥孔双列短圆柱滚子轴承为对象,在0～15 000 r/min的范围内分析了径向刚度与转速、径向预紧及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;随着径向预紧量的增加,轴承的径向刚度有所增大;在确定的预紧量下,轴承达到某一转速时,滚子将脱离内圈而导致轴承无法正常工作;径向载荷的变化对轴承径向刚度的影响可以忽略.锥孔双列短圆柱滚子轴承动特性参数分析理论、方法与软件为高速机床主轴部件的动态设计提供了有力的工具.     

永磁同步电机电主轴热-结构耦合计算方法

为了深入研究永磁同步电机电主轴热特性,综合考虑轴承热诱导预紧力及润滑油黏温效应等因素,并基于系统内部多参量耦合作用关系,建立永磁同步电机电主轴热-结构耦合计算方法.以某型号永磁同步电机电主轴为研究对象,进行了温升及热变形测量,试验结果与仿真计算对比表明所建立的计算方法具有足够的精度.采用该计算方法分析了永磁同步电机电主轴热特性,结果表明:电主轴转子温升较低,前后轴承受配合方式、装配位置及热诱导预紧力等因素影响,使轴芯沿轴向存在13℃左右的温差,导致电主轴轴向热伸长成为影响加工精度的主要原因.     

考虑热-变形耦合的主轴-轴承系统瞬态热特性分析

为了更准确地预测主轴-轴承系统的温度场并实时监测关键零部件的温升情况,建立了考虑热-变形耦合的轴系瞬态热网络模型。根据热弹性力学理论,推导出主轴-轴承系统在装配应力、离心应力和热应力综合作用下的径向复合变形方程,基于热网络法优选试验轴系关键部件作为温度节点,综合考虑润滑剂黏温效应及轴系径向复合应力与变形,实时修正轴系热源、热边界条件等特性参数,实现了温度场与变形的耦合分析。通过编程求解获得了不同条件下轴承的瞬态温升曲线及轴系关键热参数的瞬态特性,结果表明,主轴转速越高,轴系热平衡温度越高,平衡时间越短;迭代步长的选取只影响温升曲线的收敛时间,不影响稳态温度值。与试验数据的对比结果表明,使用该瞬态热网络模型预测轴系温度场可显著降低计算误差。     

温度影响的轴承动态预紧耦合降维方法

机床主轴承预紧状态随运行工况动态变化,但预紧力与轴承动力学特性非线性相关,根据轴承动态特性变化对预紧力实施动态优化是提高球轴承综合性能的关键.为提高主轴轴承综合性能,提出一种新的预紧力优化准则.构建了温度影响的球轴承动力学模型,分析变转速、变预紧力和变温升综合影响的球轴承动力学特性变化规律,采用主成分分析法对预紧力与轴承动态指标间的耦合关系实施动态降维优化.MATLAB仿真结果表明,在恒速和温升状态下轴承动态预紧状态与滚动体-内滚道接触载荷关系密切,其贡献率高达95.8％,该方法为球轴承动态预紧优化提供重要理论依据.     

热阻网络法在轴系温度场求解中的应用

为了获得主轴系统的温度场,建立了主轴、轴承、套筒、轴承座、端盖的传导和对流换热热阻模型.通过热节点的热量平衡分析,建立了热节点的热量平衡方程组.采用Newton-Raphson法对热平衡方程组进行求解,获得了轴系温度场,对轴承预紧力和主轴转速、轴承初始接触角以及润滑剂黏度对轴系温度场节点温度的影响进行了数值分析和试验.结果表明,在不同的工况下,主轴系统温度场的分布是不同的,轴承的预紧力和主轴的转速越大,轴承的温度就越高,而轴承的初始接触角越大,轴承的温度则越低,并且润滑剂对轴承温度的影响在主轴高速运转时表现得更加明显.因此,通过对轴承预紧力的调节和轴承初始游隙的设定,不仅能够控制轴承工作时的温度场分布,而且可有效地避免滚动轴承的内、外圈因温度过高而导致的失效,从而提高滚动轴承的服役性能.     

轴承载荷对整体齿轮增速式离心压缩机转子动力学行为的影响研究

以一台在役的六级整体齿轮增速式离心压缩机为研究对象,运用流固耦合方法,考虑可倾瓦滑动轴承轴瓦热膨胀的同时,分析不同的载荷大小和载荷角度导致的轴承刚度和阻尼的变化,并在此基础上建立四平行轴系转子系统三维模型,研究不同载荷下齿轮转子系统的不平衡响应规律和动力学行为。 研究结果表明,对齿轮轴系的动力学行为分析,不仅要考虑轴瓦的热膨胀和轴承载荷的变化,还需考虑耦合转子的动力学行为。     

转轴刚度对迥转体轴承动反力的影响

研究了迥转体转轴刚度和分布质量对轴承动反力的影响,通过对刚性轴与弹性轴轴承动反力的比较,提出了轴承动反力影响系数的概念,得到了若干新结果。     

基于显式动力学的发动机转子中介轴承的仿真分析

为研究复杂工况下中介轴承的动力学特性，针对外圈支承于低压转子轴颈，内圈支承于高压转子轴颈支承形式的中介轴承的工作特点，应用LS-DYNA建立了中介圆柱滚子轴承动力学模型，开展动力学仿真。该模型以显式算法为基础，在充分考虑中介轴承转速、旋转方向、负载、接触及摩擦的条件下，基于动力学仿真模型，分析了中介轴承应力水平随内外圈旋转方向、内外圈转速及径向外载荷变化的规律。分析结果表明：在内外圈反向旋转以及外圈转速增加的情况下中介轴承的振动更为平稳，而在径向外载荷增大的情况下，中介轴承的振动更加剧烈。仿真结果验证了模型的正确性，为中介轴承故障诊断提供了有益参考。     

115万kW超大型核电透平机组的静力分析

首次尝试确定具有１１个液膜动力轴承的１１５万ｋＷ超大型核电站透平发电机转子系统的静挠度、轴应力和支承反力的分布．使用有限元方法对该系统建立计算模型，计算和分析了轴承竖向对中状态的变化对支承反力和轴应力分布的影响．在正常运行速度和一定范围的轴承载荷下，计算了诸液膜轴承的刚度和阻尼系数以及液膜压力分布，并计及基础柔性．根据测量到的运行速度下诸轴承塞油孔动压力，预测和估算支承反力的分布，为动力分析打下基础．     

含有碰摩故障的多盘双转子系统动态特性

建立航空发动机双转子轴承系统的有限元模型,为考察碰摩特征对双转子系统的影响,在考虑转轴剪切效应、惯量分布效应、横向扭转以及系统结构的几何参数等重要影响因素的前提下考察碰摩故障对系统的影响.研究了碰摩间隙等参数变化时对双转子系统动态特性的影响规律.结果表明由于双转子本身结构和转速的影响,转子各处呈现非周期1运动.另外,由于碰摩影响,整个系统会出现非线性响应,但由于中介轴承的影响在无碰摩故障的转轴上非周期运动稍弱一些.中介轴承除了有耦合作用外,还起到了隔振的作用.     

滚动轴承的弹塑性静动力学响应

针对当前滚动轴承的弹塑性力学行为研究相对薄弱等问题，以深沟球轴承为例，建立了研究滚动轴承弹塑性静动力学特性的分析模型.该模型通过引入一个与应力球张量有关的混合硬化屈服准则，建立了各向同性材料的弹塑性增量型本构方程，基于Hertz接触理论确定了作用在内外套圈上荷载之间的关系，由对称性得到了正交曲线坐标系下1/4轴承外圈的平衡方程和相应的定解条件，并综合应用有限差分法和Newmark-β法对问题进行迭代求解.数值结果表明，荷载大小、轴承尺寸和材料的塑性性能均是轴承设计时应考虑的重要因素，传统的弹性模型会过高地估计轴承的刚度，而弹塑性模型能更加精准地描述滚动轴承的力学性能.     

基于动力学仿真的柴油机轴系不对中故障探究

针对柴油机轴系齿式联轴器不对中故障,首先建立齿式联轴器轴向摩擦力数学模型,分析不对中产生的轴向摩擦力特点,然后构建包括齿式联轴器在内的轴系动力学仿真模型,探究齿式联轴器不对中故障下曲轴的动力学行为规律,分析曲轴推力轴承及齿轮的受力变化。仿真结果表明：不对中的齿式联轴器外齿元件会对内齿套产生轴向摩擦力,由此影响曲轴轴向窜动,进而导致曲轴止推轴承和正时齿轮轮齿接触力发生改变。通过实际故障案例验证了仿真结果的正确性。本文结论可为柴油机轴系故障的排查和诊断提供机理依据。     

双转子多盘转子系统的动态特性

采用有限元法建立了双转子-轴承系统的动力学模型,计算分析了轴承支承刚度和内外转子的转速比对系统临界转速的影响,并对计算结果的正确性进行了验证.研究发现:各支承位置支承刚度的增大将使系统临界转速逐渐增大,当增大到一定程度时对临界转速的影响并不大,各支承刚度对各阶临界转速的影响程度并不一致;另外,中介轴承对系统临界转速的影响并不大;以内转子为主激励的同步反进动时,系统临界转速随着转速比的升高而降低,正进动临界转速随着转速比的升高而增大;而以外转子为主激励的同步反进动时的临界转速表现出相反的规律.