基于MATLAB的高速主轴热动力学研究

发布时间：2017-05-03 20:15

  本文关键词：基于MATLAB的高速主轴热动力学研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：高速加工可以大大提高加工效率、被加工件的表面质量和加工精度，但由速度提高而产生的热效应也会对加工效果造成不利的影响。主轴单元作为高速加工机床的核心部件，在考虑热效应的前提下，分析传热过程、热位移，建立其拟动力学分析模型来研究主轴单元的热动力特性就成为了一个十分具有实际意义的课题。 本文涉及轴承转子系统动力学、摩擦学和传热学三部分。由于角接触球轴承不仅可以承受轴向载荷和径向载荷，而且具有良好的高速性能、高刚度、简单紧凑的结构等特点，被广泛运用在高速主轴上。文章将以角接触球轴承作为高速主轴支承进行研究，分析轴承滚动体的运动、动力载荷和位移、摩擦热、传热机理，列出热平衡方程来完善主轴单元的数学模型，进而研究轴承的热特性和相关参数对其的影响，同时以GWE3500A型电主轴为例进行分析。 通过对高速主轴单元的理论分析，相关参数的研究和实验验证，研究结果表明： 1.在角接触球轴承高速拟动力学模型中考虑摩擦热的影响使得分析更加可靠，计算结果更加贴近实际测试值。 2.速度对于主轴单元的运动性能影响显著，随着主轴转速的提高，内外圈的接触载荷由于受到离心力的作用，内圈接触载荷不断下降，外圈则不断提高；内圈接触角不断增大，外圈接触角减小。 3.在高速段时，速度产生的摩擦热也会给主轴单元带来明显影响，不同型号轴承的内圈沟道中心热位移表现出的增大趋势也不尽相同。 4.在10000r/min的转速下，预紧力对于内外圈温度、轴承刚度和主轴单元工作频率的影响基本可以忽略，不过随着速度的提高，预紧力的影响也会凸显出来。 5.在10000r/min的转速下，润滑油粘度的增大会造成内外圈温度的相应上升，不过根据轴承的几何尺寸不同，温度上升的形式也不同。 本文较为全面的分析了主轴单元的热特性，相关参数对主轴单元动态特性的影响做了深入的分析、总结和论证，给今后主轴单元的研究和设计人员提供一定的理论和设计依据，同时对于进一步高速主轴单元热动态特性的研究具有参考价值。
【关键词】：高速 主轴单元 热动态特性 角接触球轴承 运动 载荷 位移 变形 摩擦热 热传递 预紧力 温度
【学位授予单位】：广西科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2013
【分类号】：TH133;TG502.3
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-7
• 符号说明7-13
• 第一章 绪论13-18
• 1.1 选题依据和研究意义13
• 1.2 国内外研究现状13-16
• 1.2.1 滚动轴承动力学分析14
• 1.2.2 主轴单元动力学分析14-15
• 1.2.3 主轴单元热态特性分析15-16
• 1.3 研究内容16-17
• 1.4 本章小结17-18
• 第二章 高速轴承动力学分析18-38
• 2.1 概述18
• 2.2 高速轴承运动18-24
• 2.2.1 轴承滚动体的运动学特性18-19
• 2.2.2 高速轴承运动分析19-20
• 2.2.3 滚动体角速度计算20-24
• 2.3 角接触球轴承滚动体接触应力与变形24-29
• 2.3.1 接触点的主曲率24-25
• 2.3.2 球滚动体与沟道间的 Hertz 接触25-28
• 2.3.3 轴承刚度的计算28-29
• 2.4 轴承滚动体的受力分析29-37
• 2.4.1 受径向、轴向和力矩联合载荷下运转的轴承30-32
• 2.4.2 球滚动体受力和平衡方程32-35
• 2.4.3 只受轴向载荷下的轴承静力分析35-37
• 2.5 本章小结37-38
• 第三章 高速主轴轴承转子系统建模38-45
• 3.1 概述38
• 3.2 主轴系统的运动微分方程38-39
• 3.3 转子的有限元模型39-44
• 3.4 本章小结44-45
• 第四章 轴承热模型的建立45-58
• 4.1 概述45
• 4.2 摩擦力、摩擦力矩和热生成45-48
• 4.3 热传递、热阻抗和热平衡方程的建立48-51
• 4.3.1 平壁传热49
• 4.3.2 长圆筒壁传热49-50
• 4.3.3 球壳传热50
• 4.3.4 牛顿冷却定律50-51
• 4.4 轴承内外圈的热阻抗51-52
• 4.5 主轴和轴承座的热阻抗52-53
• 4.6 球滚动体的热阻抗53
• 4.7 润滑脂热阻抗和润滑油的强迫对流热阻抗53-54
• 4.8 主轴单元的传热模型54-57
• 4.9 本章小结57-58
• 第五章 主轴单元零件运动位移58-65
• 5.1 概述58
• 5.2 轴承内圈沟道中心离心位移58-60
• 5.3 轴承单元热位移60-64
• 5.3.1 薄圆环的热位移60-61
• 5.3.2 长圆筒壁的热位移61-62
• 5.3.3 球热位移62-64
• 5.4 本章小结64-65
• 第六章 主轴单元热动力学计算方法设计65-77
• 6.1 概述65
• 6.2 不计热影响的动力学计算方法的建立65-66
• 6.3 考虑热位移的影响66-72
• 6.4 主轴单元的有限元划分及验证72-75
• 6.5 温度测试验证75
• 6.6 本章小结75-77
• 第七章 高速主轴单元热动力学特性分析77-85
• 7.1 概述77
• 7.2 速度对于主轴单元运动性能的影响77-81
• 7.2.1 不同转速下内外圈接触载荷77-78
• 7.2.2 不同转速下内外圈接触角78-79
• 7.2.3 不同转速下内圈热位移79
• 7.2.4 不同转速下内外圈温度79-80
• 7.2.5 不同转速下支承轴承径向刚度80-81
• 7.3 轴向预紧力对于主轴单元运动性能的影响81-82
• 7.3.1 不同轴向预紧力下的轴承内外圈温度81-82
• 7.3.2 不同轴向预紧力下的轴承径向刚度82
• 7.4 润滑剂粘度对于主轴单元运动性能的影响82-83
• 7.5 不同转速和轴向预紧力下主轴单元的工作频率变化83-84
• 7.6 本章小结84-85
• 第八章 总结与展望85-87
• 8.1 总结85
• 8.2 展望85-87
• 参考文献87-90
• 附录90-92
• 发表论文和参加科研情况说明92-93
• 致谢93

【参考文献】

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本文编号：343690