多物理场耦合条件下精密机床主轴角接触球轴承特性分析

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角接触球轴承是精密机床主轴的常用轴承之一。引起角接触球轴承性能下降的原因众多,但目前的研究多集中于力学、弹流分析,而针对磨损或考虑磨损影响的轴承理论计算则较为匮乏。因此,本文针对精密机床主轴角接触球轴承,建立了位移场、应力场和弹流场耦合条件下的力学、弹流和磨损分析模型,探究轴承工况参数、结构参数和润滑条件与轴承受载、变形和磨损的相互关系,主要工作如下:(1)采用静力学理论对机床主轴-轴承系统进行变形计算,分析主轴、轴承受载和变形的相互关系。采用滚道控制理论对轴承进行运动分析,求解滚动体公转速度、自转速度以及滚道速度。采用拟静力学方法,考虑离心力、陀螺力矩的作用,建立角接触球轴承三维力学分析模型,实例分析轴承结构和工况参数对轴承受载、位移和变形的影响。(2)基于弹性流体动力润滑理论,建立二维椭圆接触角接触球轴承等温弹流润滑模型,并采用多重网格法、Gauss-Seidel线性松弛迭代法、雅克比线性迭代法以及改进的刚度矩阵法对模型进行求解,计算接触区域内润滑油压力、粘度、密度、膜厚等参数的分布。利用MATLAB编写程序对模型进行验证,分析轴承结构参数以及载荷状态对轴承润滑特性的影响。(3)采用Archard疲劳磨损计算理论,计算弹流润滑和贫油润滑状态下接触区内摩擦系数、滑移距离以及磨损系数在垂直于运动方向上的分布,并应用于角接触球轴承,建立轴承滚道疲劳磨损计算模型。以7006C为例验证模型,分析不同载荷、转速以及结构参数对轴承磨损的影响,以及轴承磨损对轴承接触和弹流状态,包括接触载荷、接触角、弹流压力、弹流膜厚等参数的影响。(4)以轴承磨损深度为反馈参数,建立力学、弹流和磨损的耦合求解模型,并与L-P寿命对比验证模型的可靠性。分别改变轴承的结构参数,包括内外滚道曲率半径和滚动体直径;轴承运行工况,包括外部载荷和主轴转速;以及轴承润滑条件,包括表面粗糙度和润滑油初始粘度,分析这些因素对轴承轴、径向刚度,寿命等的影响。研究表明,轴承载荷的增大一方面会引起轴承润滑条件恶化,磨损加剧,另一方面却有助于轴承轴向、径向和角刚度的增大。转速对轴承的位移、变形等力学特性影响微小,但会导致润滑油膜厚度增大,摩擦系数增大。相比轴承球数目,轴承特性对内、外滚道曲率半径和轴承球直径的尺寸变动更为敏感。轴承表面粗糙度的增大和润滑油粘度的减小都会引起轴承贫油磨损快速增大,但对弹流磨损的影响则相对微小。同时,轴承滚道的磨损也会引起滚道本身受载增大,润滑油粘度升高,密度减小。
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