成对安装角接触球轴承-转子系统动力学特性研究

摘要

随着先进制造技术的快速发展，以高效率和高精度为特征的高速切削机床成为当今装备制造业中实现高速加工的核心产业，因此对作为高速切削机床的关键性部件——轴承-转子系统的转速及稳定性有了越来越高的要求。在主轴工作运行中，如何提高临界转速，是当前迫切需要解决的问题。 本文以某主轴成对角接触球轴承-转子系统为研究对象，针对转子系统临界转速和稳定性问题，建立了成对安装的角接触球拟静力学分析模型，详细分析了成对角接触球轴承动力学特性；在此基础上，利用Timoshenko梁理论建立成对轴承-转子系统有限元模型，分析了轴承刚度、预紧力及转子陀螺力矩等因素对转子系统涡动频率和临界转速的影响，进一步研究了转子系统的不平衡响应，从而验证了当主轴采用成对轴承作为支承时，具有更高的刚度和临界转速。主要研究内容如下： (1)角接触球轴承静力分析。通过对联合载荷作用下单个角接触球轴承的静力分析，得到了轴承内圈的径向、轴向和角位移，为角接触球轴承动力学分析奠定基础。 (2)成对角接触球轴承动力学特性分析。首先阐述了Hertz接触理论和角接触球轴承拟静力学分析方法，在此基础上，考虑滚珠离心力和陀螺力矩，以及轴承内圈离心效应产生的径向位移等因素，参考单个角接触球轴承拟静力学模型，建立了成对角接触球轴承分析模型，通过Matlab编程求出了成对角接触球轴承刚度矩阵和接触变形等动力学参数，并研究了轴承结构参数和工况参数对成对角接触球轴承动力学特性的影响。结果表明：轴承安装方式的改变会影响左右两轴承内部接触变形、接触角、成对轴承刚度的变化趋势；安装方式主要影响成对轴承的角刚度，成对轴承的刚度与轴承结构参数和工况参数都有比较大的联系。 (3)成对角接触球轴承-转子系统动力学特性研究。利用Timoshenko梁理论建立了成对轴承-转子系统的有限元模型，通过Matlab编程计算了转子系统的涡动频率和临界转速，并分析了转子陀螺力矩、轴承刚度和转子内径等参数对转子系统涡动频率和临界转速的影响，最后研究了在不平衡扰动力下，不同节点在x方向上的时域和频域响应。结果表明：转子陀螺力矩等参数能够提高转子系统的正向涡动频率，从而提高了转子系统的临界转速；当转子系统存在不平衡质量时，轴端的振动响应幅值最大。

目录

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附表索引

第1章 绪论

1.1 课题研究背景

1.2 课题研究意义

1.3 国内外研究现状

1.3.1 角接触球轴承动力学特性研究现状

1.3.2 转子系统动力学特性研究现状

1.4 本文的研究目的及内容

1.5 课题来源

1.6 本章小结

第2章 角接触球轴承静力分析

2.1 角接触球轴承的主要结构参数

(1)节圆直径

(2)游隙

(3)初始接触角

(4)吻合度

2.2 静载荷作用下滚珠接触载荷与外载荷之间的关系

2.3 联合载荷作用下轴承内部微观变形

2.4 联合载荷作用下轴承内圈位移计算

2.5 本章小结

第3章 成对角接触球轴承拟静力学理论基础

3.1 Hertz点接触理论基本方程

3.2 成对角接触球轴承拟静力学分析

3.2.1 角接触球轴承内部变形

3.2.2 滚珠受力分析

3.2.3 成对轴承刚度矩阵

3.3 本章小结

第4章 成对角接触球轴承动力学特性分析

4.1 成对角接触球轴承分析模型

4.2 外载荷对成对轴承滚珠与滚道接触变形的影响

4.2.1 轴向载荷对滚珠与内滚道接触变形的影响

4.2.2 轴向载荷对滚珠与外滚道接触变形的影响

4.2.3 径向载荷对滚珠与内滚道接触变形的影响

4.2.4 径向载荷对滚珠与外滚道接触变形的影响

4.3 转速对成对轴承滚珠与滚道接触角的影响

4.3.1 转速对滚珠与内滚道接触角的影响

4.3.2 转速对滚珠与外滚道接触角的影响

4.4 轴承结构参数对成对轴承刚度的影响

4.4.1 初始接触角对刚度的影响

4.4.2 滚珠材料对刚度的影响

4.4.3 滚珠个数对刚度的影响

4.4.4 滚珠直径对刚度的影响

4.5 工况参数对成对轴承刚度的影响

4.5.1 安装方式对刚度的影响

4.5.2 轴承间距对刚度的影响

4.5.3 预紧力对刚度的影响

4.5.4 预紧方式对刚度的影响

4.5.5 径向载荷对刚度的影响

4.6 本章小结

第5章 成对角接触球轴承-转子系统动力学特性分析

5.1 Timoshenko梁理论简介

5.1.1 Timoshenko梁单元

5.1.2 转子系统总刚度矩阵、总质量矩阵和总陀螺力矩阵的合成

5.2 转子系统的涡动频率与临界转速

5.3 转子系统的不平衡响应

5.4 成对轴承-转子系统的有限元模型

5.5 转子系统动力学特性分析

5.5.1 转子陀螺力矩对涡动频率和临界转速的影响

5.5.2 成对轴承刚度对涡动频率和临界转速的影响

5.5.3 轴承预紧力对涡动频率和临界转速的影响

5.5.4 转子内径对涡动频率和临界转速的影响

5.5.5 转速对涡动频率和临界转速的影响

5.6 转子系统不平衡响应分析

5.7 本章小结

结论与展望

结论

展望

参考文献

致谢

附录A 攻读学位期间所发表的学术论文

附录B 成对角接触球轴承刚度矩阵的推导