超高速电主轴球轴承—转子系统动力学性能的研究

论文摘要

电主轴技术是随着高速切削等现代先进制造技术以及高速数控机床技术的发展和需求而发展起来的，随着电主轴的转速和输出功率的不断提高，超高速电主轴的应用正越来越多。在超高速电主轴中，主轴轴承基本接近设计所允许的极限转速，并且采用油气、油雾等外部供油的润滑方式，电主轴的工作转速通常接近于转子系统的一阶临界转速，从而提出了分析研究其转子系统动力学性能方面问题的要求，以便能够对实际工程中超高速电主轴转子系统的固有频率、临界转速、不平衡振动响应等动力学方面的性能进行分析计算和合理设计。本文以超高速电主轴为研究对象，在对超高速时主轴轴承内部的动力学状态和动刚度等性能参数进行分析和研究的基础上，针对超高速电主轴转子系统动力学方面的特点，对其球轴承——转子系统动力学性能分析的数学建模、数值计算方法及编程等进行了研究。1．基于滚动轴承受力分析的拟静力学和拟动力学模型，在分析球滚动体离心力等超高速惯性效应作用的基础上，结合具体算例，对超高速时主轴轴承的内部动力学状态和对转子支承的动刚度等性能参数进行了数值分析计算，并对轴承内部结构参数、外部工况条件等影响轴承动刚度的因素进行了综合分析，结果表明，相对外载荷而言，超高速时球滚动体的离心力、陀螺力矩等惯性力的作用变得非常大，使轴承内部的动力学状态和动刚度等性能参数与低速和一般高速时大不相同，有的甚至成倍地发生变化，因此影响着超高速电主轴转子系统的动力学性能。2．分析研究了以角接触球轴承为支承的超高速电主轴，其转子系统动力学性能方面的主要特点和存在的主要问题，结合主轴轴承内部动力学状态和动刚度的分析计算，利用有限元法，建立了包括主轴轴承支承性能在内的超高速电主轴球轴承——转子系统动力学性能分析的数学模型，并设计了相应数值分析方法和计算程序。3．结合具体超高速电主轴算例，分析研究了主轴轴承、转速、转子结构等有关方面的因素对转子系统动力学性能的影响，结果表明：超高速电主轴转子系统的振动主要表现为不平衡振动响应和达到一阶临界转速时发生共振现象；超高速时主轴轴承动刚度的变化是影响超高速电主轴转子系统动力学性能的主要因素之一，由于轴承动刚度非线性变化的影响，超高速电主轴球轴承——转子系统的动力学性能具有相应的非线性特点，转子系统的固有频率一般不等于共振频率；转子外伸端的长度、轴端附加零件的质量和内装电机的外径等参数对超高速电主轴转子系统的一阶固有频率、一阶临界转速的影响较大。4．对超高速电主轴进行了转子系统动力学性能试验，试验结果表明，受轴承动刚度非线性变化的影响，在静态和低速情况下进行模态试验时无法得到超高速电主轴转子系统实际的临界转速，需要结合动态运行试验的方法进行确定。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 目录
• 主要符号表
• 第1章 绪论
• 1.1 绪言
• 1.2 超高速电主轴转子系统动力学研究的现状
• 1.2.1 球轴承的内部受力分析及动刚度等性能参数的计算
• 1.2.2 有关高速球轴承——转子系统动力学性能方面的研究
• 1.2.3 目前研究中存在的问题
• 1.3 论文研究的目的和意义
• 1.3.1 课题来源
• 1.3.2 研究目的
• 1.3.3 主要研究内容
• 1.4 本章小结
• 第2章 超高速时主轴轴承的动力学状态分析
• 2.1 绪言
• 2.2 轴承中的坐标系
• 2.3 超高速时球滚动体的运动
• 2.3.1 球滚动体的公转运动
• 2.3.2 球滚动体的自转运动
• 2.3.3 球滚动体的自旋运动
• 2.3.4 球滚动体的陀螺运动趋势
• 2.4 超高速时球滚动体的受力
• 2.4.1 球滚动体上的离心力
• 2.4.2 球滚动体上的陀螺力矩
• 2.4.3 球滚动体在套圈滚道上的Hertz接触
• 2.4.4 球滚动体与套圈滚道之间的滑动摩擦力
• 2.5 超高速时轴承内部的变形和位移
• 2.6 超高速时轴承的受力方程和基本方程组
• 2.6.1 球滚动体受力的平衡方程
• 2.6.2 轴承内圈受力的平衡方程
• 2.7 轴承基本方程组的求解和内部动力学状态分析
• 2.7.1 轴承基本方程组的求解
• 2.7.2 超高速时轴承内部动力学状态仿真计算的结果分析
• 2.8 本章结论
• 第3章 超高速时主轴轴承的动刚度分析
• 3.1 绪言
• 3.2 超高速时主轴轴承动刚度的影响因素分析
• r的影响'>3.2.1 轴向预载荷P_r的影响
• br的影响'>3.2.2 径向外载荷F_br的影响
• 3.2.3 设计接触角α的影响
• i、r_o的影响'>3.2.4 套圈滚道曲率半径r_i、r_o的影响
• w和数量W的影响'>3.2.5 球滚动体直径d_w和数量W的影响
• 3.2.6 球滚动体材料的影响
• 3.2.7 转速n的影响
• 3.2.8 尺寸系列的影响
• 3.3 本章结论
• 第4章 超高速电主轴球轴承——转子系统的动力学模型分析
• 4.1 绪言
• 4.2 球轴承——转子系统的运动微分方程
• 4.3 球轴承——转子系统的有限元模型分析
• 4.3.1 单元的划分
• 4.3.2 单元的载荷列向量和位移列向量
• 4.3.3 单元刚度矩阵
• 4.3.4 单元质量矩阵
• 4.3.5 系统总刚度矩阵的合成
• 4.3.6 系统总质量矩阵的合成
• 4.3.7 系统的总载荷列向量
• 4.3.8 系统的总位移列向量
• 4.3.9 有限元法表示的球轴承——转子系统的运动微分方程
• 4.4 运动微分方程的求解
• 4.4.1 转子系统自由振动的固有频率和结构振型
• 4.4.2 转子系统的不平衡振动响应
• 4.4.3 求解系统微分方程的计算机程序
• 4.5 转子系统的临界转速
• 4.6 本章结论
• 第5章 转子系统的动力学性能分析
• 5.1 绪言
• 5.2 算例
• 5.2.1 超高速电主轴算例的基本参数
• 5.2.2 转子系统动力学的基本性能参数
• 5.3 转子系统动力学性能的影响因素分析
• 5.3.1 转速n的影响
• sr的影响'>5.3.2 弹簧系统预加载荷P_sr的影响
• 5.3.3 空心转子内孔直径d的影响
• 5.3.4 轴承之间支承跨距L的影响
• 5.3.5 轴承数量和配置方式的影响
• d的影响'>5.3.6 内装电机转子外径D_d的影响
• d的影响'>5.3.7 内装电机转子长度L_d的影响
• cl的影响'>5.3.8 轴端附加零件质量m_cl的影响
• l的影响'>5.3.9 转子外伸端长度L_l的影响
• z的影响'>5.3.10 转子轴向外载荷F_z的影响
• 5.3.11 轴承球滚动体材料的影响
• 5.4 本章结论
• 第6章 试验研究
• 6.1 引言
• 6.2 静态锤击模态试验
• 6.2.1 静态锤击模态试验原理
• 6.2.2 试验设备及仪器
• 6.3 动态运行试验
• 6.3.1 动态运行试验原理
• 6.3.2 试验测量仪器
• 6.4 试验结果及分析
• 6.5 本章结论
• 第7章 超高速电主轴球轴承——转子系统动力学性能的设计和应用
• 7.1 引言
• 7.2 GS150超高速电主轴的研制
• 7.3 转子系统动力学性能的设计
• 7.4 电主轴试验室动态运行试验和装机应用试验
• 7.5 本章结论
• 第8章 结论与展望
• 8.1 结论
• 8.2 发展展望
• 参考文献
• 作者在攻读博士学位期间发表论文、完成项目、申报专利和获奖情况
• （一） 在攻读博士学位期间公开发表论文22篇，主要有
• （二） 在攻读博士学位期间完成和参加的项目
• （三） 在攻读博士学位期间申报的专利
• （四） 在攻读博士学位期间的获奖情况
• 致谢