滚珠轴承支承高速电主轴热特性分析
发布时间:2017-05-06 00:10
本文关键词:滚珠轴承支承高速电主轴热特性分析,,由笔耕文化传播整理发布。
【摘要】:高速加工设备完成高速加工过程的关键部件是高速电主轴,其是将电机内置以达到省去传动装置的目的,这样,由于传动设备引起的振动和惯性等造成的加工误差即可避免。然而,因为高速电主轴内部空间封闭,导致运行过程中内置电机和高速轴承产生的大量热量不能有效释放,产生较大的热变形进而影响其稳定性及可靠性。因此,需要研究电主轴的热特性从而为电主轴单元的更新换代提供相应的理论依据。本文的研究对象是实际中应用的高速滚珠轴承电主轴,其基本构造为内置电机置于两个角接触球轴承组成的前轴承组和一个后角接触球轴承之间,本文主要围绕其热源生热及热特性仿真两方面内容展开。根据滚动轴承分析理论研究轴承各部件的运动学关系,从而求得滚珠和滚道的相对角速度及滚珠的自旋角速度,进而采用局部热计算方法计算轴承的热损耗。结果发现,轴承的旋转速度对其热损耗的影响比轴向载荷作用更明显,并且滚珠的自旋摩擦是轴承生热的主要形式。另外,电主轴的另一主要热源,即内置电机的发热功率则是根据其额定功率及工作效率通过相关公式求得。在运用传热学经典理论分析得到简化了的实体模型的热边界条件基础上,结合热源生热计算结果,选用大型有限元分析软件ANSYS对一定转速的空载电主轴分别进行稳态热和瞬态热分析。通过观察温度分布云图,可以发现电主轴的最高温度点出现在内置电机转子的中心区域。为了获得电主轴的轴向位移场及相应的轴向应力场,将稳态热分析结果加载到有限元模型进行热-结构耦合分析。观察发现,最大轴向位移出现在主轴的最前端,最大轴向应力则出现在前轴承球与外滚道的接触区域。最后,设计了空载电主轴温升测定实验以验证模拟仿真的准确性。在电主轴运转一定时间后,采用万用表和温度传感器组成的测温设备对电主轴的表面和主轴内壁多个点分别进行温度测量。结果发现,仿真结果和测量数据的偏差基本在10%以内,从而说明本文的理论方法是可行的。
【关键词】:电主轴 球轴承 局部热计算法 热分析 有限元方法
【学位授予单位】:哈尔滨工业大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2016
【分类号】:TH133.33
【目录】:
- 摘要4-5
- ABSTRACT5-8
- 第1章 绪论8-13
- 1.1 课题研究的背景和意义8-9
- 1.2 国内外研究现状及发展趋势9-12
- 1.2.1 国外研究现状9-10
- 1.2.2 国内研究现状10-11
- 1.2.3 高速电主轴发展趋势11-12
- 1.3 课题来源及主要研究内容12-13
- 1.3.1 课题来源12
- 1.3.2 主要研究内容12-13
- 第2章 电主轴的工作原理及其生热分析13-35
- 2.1 电主轴概述13-16
- 2.1.1 电主轴的分类13-14
- 2.1.2 电主轴的结构14-15
- 2.1.3 电主轴电机的工作原理15
- 2.1.4 电主轴的技术参数15-16
- 2.2 电主轴关键技术16-18
- 2.2.1 电主轴支承轴承16-17
- 2.2.2 电主轴润滑冷却技术17-18
- 2.3 内置电机生热18-19
- 2.4 滚珠轴承生热19-32
- 2.4.1 滚珠轴承零件速度19-22
- 2.4.2 角接触球轴承接触角分析22-25
- 2.4.3 角接触球轴承接触角求解25-28
- 2.4.4 滚珠轴承发热功率分析计算28-32
- 2.5 热源发热率计算32-34
- 2.5.1 内置电机的发热率33
- 2.5.2 支承轴承发热率33-34
- 2.6 本章小结34-35
- 第3章 电主轴散热分析及其热特性仿真35-52
- 3.1 高速电主轴的散热分析35
- 3.2 高速电主轴散热系数计算35-40
- 3.2.1 电主轴与冷却流体对流换热36-37
- 3.2.2 电机转子两端与周围空气换热37
- 3.2.3 电机定子和转子换热37-38
- 3.2.4 轴承与油气的对流换热38-39
- 3.2.5 球和滚道的热传导39
- 3.2.6 轴承外圈与壳体的热传递39-40
- 3.2.7 转轴表面与周围空气的换热40
- 3.2.8 电主轴壳体外表面与空气的换热40
- 3.3 ANSYS的热分析功能40-43
- 3.3.1 ANSYS热分析的概述40-42
- 3.3.2 ANSYS热分析的一般步骤42-43
- 3.4 高速电主轴的有限元分析模型43-44
- 3.4.1 建立几何模型43
- 3.4.2 单元类型选择及网格划分43-44
- 3.5 高速电主轴的热分析44-51
- 3.5.1 高速电主轴的热分析条件44-46
- 3.5.2 高速电主轴的稳态热分析46-47
- 3.5.3 高速电主轴的瞬态热分析47-49
- 3.5.4 高速电主轴的热-结构耦合分析49-51
- 3.6 本章小结51-52
- 第4章 高速电主轴测温实验设计与分析52-60
- 4.1 电主轴温升检测方法52
- 4.2 温升测定实验设计52-54
- 4.2.1 实验装置及方法52-53
- 4.2.2 实验步骤53-54
- 4.3 实验结果及分析54-58
- 4.4 高速电主轴热特性的改善措施58
- 4.5 本章小结58-60
- 结论60-61
- 参考文献61-64
- 攻读硕士学位期间发表的论文及其它成果64-66
- 致谢66
【参考文献】
中国期刊全文数据库 前1条
1 杨咸启;轴承系统温度场分析[J];轴承;1997年03期
本文关键词:滚珠轴承支承高速电主轴热特性分析,由笔耕文化传播整理发布。
本文编号:347372
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