机床进给系统轴承热特性分析及试验研究

发布时间：2017-10-21 13:36

  本文关键词：机床进给系统轴承热特性分析及试验研究

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【摘要】：角接触球轴承作为机床进给系统的主要发热部件,其热变形将直接影响到机床进给精度。准确预测轴承温度场及热变形量,对减少进给系统的热误差具有重要的意义。本文从理论建模、有限元分析、试验验证、轴承组件结构改进四个方面对进给系统常用的60°角接触球轴承的热态特性进行了深入的研究。首先,在角接触球轴承拟静力学模型的基础上,计算了角接触球轴承的摩擦力矩与摩擦生热功率,推导出了内圈、外圈及滚珠上的热载荷。分析了内外圈相对轴向、径向热位移的简化计算方法,并提出了轴承热刚度识别技术路线。然后,建立了考虑接触热阻的角接触球轴承热传递模型及有限元分析模型,对轴承进行了有限元稳态与瞬态温度场分析,得到了轴向力及转速对轴承温度场及热平衡时间的影响规律。通过对轴承二维模型热-结构耦合分析,说明了热变形对接触应力有很大的影响。进而,设计了角接触球轴承热态特性测试试验台。模拟现实工况,对四组进给系统常用的角接触球轴承进行了大量的试验,测试轴承温度场、轴向热位移及热平衡时间,获得了168组有效数据。试验数据与有限元仿真结果偏差均在10%以内,证明有限元仿真模型的正确性和试验数据的有效性。最后,对机床进给系统常见结构进行温度场分析,发现温度最高处位于轴承处。通过改进轴承组件结构,实施油和油气冷却,不仅能降低角接触球轴承温度,还可明显缩短热平衡时间。并通过模态分析对比了进给系统改进前后的固有频率。
【关键词】：角接触球轴承 温度场 热位移 试验台 热态特性试验
【学位授予单位】：南京理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TG502.3
【目录】：

• 摘要3-4
• Abstract4-8
• 1 绪论8-16
• 1.1 选题背景和意义8-9
• 1.1.1 课题来源及背景8
• 1.1.2 课题研究目的及意义8-9
• 1.2 角接触球轴承热特性研究现状9-14
• 1.2.1 角接触球轴承热特性理论发展现状9-13
• 1.2.2 角接触球轴承热特性仿真研究现状13
• 1.2.3 角接触球轴承热特性试验测试现状13-14
• 1.3 论文结构及主要研究内容14-16
• 2 角接触球轴承热态特性分析与建模16-26
• 2.1 角接触球轴承动态特性方程16-18
• 2.2 角接触球轴承热载荷计算18-19
• 2.2.1 角接触球轴承各摩擦力矩的计算18-19
• 2.2.2 角接触球轴承摩擦生热计算19
• 2.3 角接触球轴承动态特性方程求解19-22
• 2.3.1 角接触球轴承热载荷求解19-20
• 2.3.2 转速及轴向力对发热功率的影响20-21
• 2.3.3 滚珠与角接触球轴承内外圈接触角的计算21
• 2.3.4 滚珠自旋角速度的计算21-22
• 2.4 角接触球轴承热位移的计算22-24
• 2.4.1 角接触球轴承热位移22-23
• 2.4.2 热位移计算理论模型23
• 2.4.3 热位移计算简化模型23-24
• 2.5 角接触球轴承热刚度定义与试验识别路线24-25
• 2.6 本章小结25-26
• 3 基于ANSYS的角接触球轴承热特性有限元仿真26-39
• 3.1 ANSYS热分析理论26-27
• 3.2 角接触球轴承组件仿真模型的建立27-31
• 3.2.1 角接触球轴承组件CAD模型建立与简化27-28
• 3.2.2 角接触球轴承热载荷选取28
• 3.2.3 角接触球轴承组件结合面接触热阻28-29
• 3.2.4 角接触球轴承组件热传递模型的建立29-30
• 3.2.5 进给系统角接触球轴承组件有限元模型30-31
• 3.3 角接触球轴承边界条件处理31-33
• 3.3.1 静止面的对流换热系数计算32
• 3.3.2 旋转面的对流换热系数计算32-33
• 3.4 角接触球轴承组件稳态温度场有限元分析33-35
• 3.4.1 角接触球轴承组件温度场分布33-34
• 3.4.2 转速及轴向力对温度场的影响34-35
• 3.5 角接触球轴承组件瞬态温度场有限元分析35-36
• 3.6 角接触球轴承热结构耦合有限元分析36-38
• 3.7 本章小结38-39
• 4 角接触球轴承热特性测试试验台设计与试验39-53
• 4.1 试验台设计要求及测试原理39-40
• 4.1.1 试验台设计要求39
• 4.1.2 测试原理39-40
• 4.2 角接触球轴承热特性参数测试装置40-44
• 4.2.1 机械部分41-42
• 4.2.2 测试系统42-44
• 4.3 热特性测试试验44-48
• 4.3.1 热特性测试试验步骤44-46
• 4.3.2 热特性测试试验参数设置46-47
• 4.3.3 轴的受力变形分析47-48
• 4.4 角接触球轴承热特性测试试验结果分析48-51
• 4.4.1 轴向力及转速对角接触球轴承温度场的影响48-49
• 4.4.2 轴向力及转速对角接触球轴承热位移的影响49-50
• 4.4.3 角接触球轴承瞬态温度场分析50
• 4.4.4 角接触球轴承热刚度试验值分析50-51
• 4.5 试验结果与仿真结果的对比51-52
• 4.6 本章小结52-53
• 5 进给系统角接触球轴承散热方式改进53-66
• 5.1 传统进给系统结构及温度场分析53-55
• 5.1.1 传统进给系统结构53
• 5.1.2 传统进给系统稳态温度场分析53-54
• 5.1.3 传统进给系统瞬态温度场分析54-55
• 5.2 进给系统角接触球轴承冷却措施55-60
• 5.2.1 进给系统冷却结构改进55-57
• 5.2.2 角接触球轴承油冷却57-59
• 5.2.3 角接触球轴承油气冷却59-60
• 5.3 结构改进前后温度场比较60-63
• 5.3.1 油冷却60-62
• 5.3.2 油气冷却62-63
• 5.4 结构改进前后模态分析对比63-64
• 5.5 进给系统角接触球轴承热态特性的改善方法64-65
• 5.6 本章小结65-66
• 6 总结与展望66-68
• 6.1 总结66-67
• 6.2 展望67-68
• 致谢68-69
• 参考文献69-73
• 附录1 试验轴承温度表73-75
• 附录2 试验轴承热位移表75-77
• 附录3 已发表论文及参与项目77

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前1条

1 王保民;胡赤兵;孙建仁;刘洪芹;;高速电主轴热态特性的ANSYS仿真分析[J];兰州理工大学学报;2009年01期

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本文编号：1073663