主轴-轴承系统中轴承磨损研究

作     者：付雪艳 

作者单位：沈阳建筑大学 

学位级别：硕士

导师姓名：张宇

授予年度：2021年

学科分类：080202[工学-机械电子工程] 08[工学] 080203[工学-机械设计及理论] 0802[工学-机械工程] 

主      题：主轴-轴承系统 角接触球轴承 高速轻载 低速重载 磨损深度 

摘      要：主轴-轴承系统是数控机床的核心功能部件,磨损是主轴轴承的主要失效形式之一,开展主轴轴承的磨损研究对于评价数控机床运行精度和预测服役寿命具有重要的意义。主轴-轴承系统的运行工况条件包括高速轻载和低速重载,两种工况条件下,轴承的受载与运动特征存在明显差别,导致轴承磨损规律的显著差异,开展两种工况条件下轴承磨损规律的研究对于优化数控机床,延长数控机床服役寿命具有重要的意义。本文以四个角接触球轴承支承的主轴-轴承系统为研究对象,形成了主轴-轴承的系统模型和轴承磨损模型,对比分析了高速轻载与低速重载两种工况条件下,主轴转速、外载荷、轴承角偏移、滚道沟曲率系数以及轴承表面粗糙度等因素对轴承磨损的影响规律。主要内容包括:(1)建立多轴承支承的主轴-轴承系统力学模型和轴承滚道磨损深度模型。系统模型包括轴承模型与主轴模型,摒弃‘滚道控制’假设,考虑滚动体的离心力和陀螺力矩的影响,建立轴承拟静力学模型;应用有限元方法,采用铁木辛柯梁单元,建立主轴有限元平衡方程。提出主轴-轴承系统模型快速可靠求解方法,通过对比验证了系统模型的有效性。以Archard磨损模型为基础,考虑轴承滚动体与滚道载荷与速度分布特点,建立适用于滚动轴承滚道磨损深度计算的磨损模型。(2)对比研究高速轻载和低速重载两种工况条件下主轴系统中轴承磨损规律。计算了不同主轴转速、外载荷、轴承角偏移、滚道沟曲率系数以及轴承表面粗糙度条件下,主轴系统各轴承的接触力、平均滑动速度、磨损系数和磨损深度;对比分析了高速轻载和低速重载两种工况条件下,主轴系统轴承磨损规律的异同。结果表明:主轴转速对轴承磨损影响显著,低速重载工况条件下,轴承滚道磨损深度随转速的变化率更大;无论工况条件如何,轴承的理想安装对于主轴的运行是最为有利的;高速轻载工况条件下,主轴转速改变显著影响轴承滚道磨损深度随外载荷的变化率,但在低速重载工况条件下,轴承滚道磨损深度随外载荷的变化率受主轴转速影响较小;两种工况条件下,轴承滚道磨损深度随滚道沟曲率系数的变化程度差别明显;表面粗糙度的增大能够显著增大主轴系统中各轴承的磨损深度。