球轴承-转子系统临界转速分析与结构优化

摘要

主轴技术是随着高速磨削等现代化制造技术以及高速CNC加工中心的发展和需求而发展起来的,随着主轴转速与功率的不断提高,高速主轴的应用越来越广泛。高速主轴的工作转速常接近于转子系统的一阶临界转速,主轴轴承也基本接近于极限转速,因此,必须对主轴的固有频率和临界转速等动态性能进行分析计算。
　　本文以球轴承-转子系统为研究对象,在对球轴承动刚度等性能参数分析计算的基础上,结合转子系统动力学方面的特点,将轴承与转子综合起来考虑,对球轴承-转子系统固有频率与临界转速的分析及其结构的优化进行了研究。
　　本文首先根据Hertz点接触理论分析了球轴承滚动体与滚道的接触问题,对球轴承的静态特性参数进行了分析计算;然后在此基础上建立了球轴承的拟静力学模型,编制程序对支承轴承和轴承组的动态特性参数包括动刚度进行了计算,并分析了工作转速和内圈离心效应对球轴承动态特性的影响,同时,结合具体实例对球轴承模型和分析程序的正确性进行了验证。
　　使用铁摩辛柯梁对球轴承-转子系统进行了有限元建模,模型中考虑了轴承的动刚度以及转子的剪切效应和陀螺效应的影响,基于Matlab编制了系统动态性能参数的分析计算程序,并通过对比计算结果与已有实验数据验证了球轴承-转子系统模型与分析程序的有效性;另外,以系统的一阶临界转速为优化目标,对前后轴承的跨距及转轴内径进行了优化,使球轴承-转子系统一阶临界转速提高了6.68％。
　　通过对轴承及轴承-转子系统的动态分析得知,转速、内圈离心效应对轴承刚度的影响是很明显的,在轴承-转子系统的动态分析中,必须将其考虑在内,才能使分析结果更接近工程实际;轴承跨距是影响轴承-转子系统临界转速的主要因素,合理布置支承轴承对提高系统的动态性能非常重要。

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第1章 绪论

1.1 研究背景及课题来源

1.2 轴承-转子系统的动力学研究

1.4 本章小结

第2章 球轴承静态特性参数及静刚度分析计算

2.1 Hertz点接触理论

2.2 单个角接触球轴承的静态分析及静刚度计算

2.3 轴承组的静态分析与静刚度计算

2.4 算例分析

2.5 本章小结

第3章 球轴承动态特性参数及动刚度分析计算

3.1 球轴承运转时的内部运动

3.2 球滚动体的受力分析

3.3 角接触球轴承(组)整体分析及动刚度计算

3.4 算例分析

3.5 转速及内圈离心效应对轴承(组)内部参数及动刚度的影响

3.6 本章小结

第4章 轴承-转子系统的临界转速分析与结构优化

4.1 轴承-转子系统的有限元模型建立

4.2 轴承-转子系统临界转速求解及优化

4.3 算例分析

4.4 本章小结

第5章 总结与展望

5.1 论文总结

5.2 未来展望

致谢

参考文献