随着科学技术的不断发展,高速加工、数控机床越来越多地应用高速电主轴。目前,电主轴系统大多采用滚动轴承,滚动轴承的动力学特性与静力学特性有明显的差异,尤其是当轴承转速达到10000 rpm以上时更为显著。由于轴承产品手册或轴承标准中很少涉及轴承的动力学特性,尤其是高速动态性能,用户无法根据对轴承动力学性能的预期要求来选择合适的轴承,从而影响了高速电主轴的工作性能和使用寿命等。因此,研究高速滚动轴承的动力学性能是十分必要和迫切的。本文开展了高速电主轴滚动轴承力学特性的相关研究与实践,主要成果概述如下:(1)以Jones&Harris的高速轴承参数计算模型(JH模型)为基础,采用拟静力学的方法,研究了滚动轴承的动态载荷分布规律的特性。分析了不同结构参数、工作参数对其实际工作接触角、接触载荷和变形以及套圈偏移的影响,并由计算结果,发现了轴承内部载荷分布随转速变化的规律,提出了计算过程更为简便,参数耦合更少的轴承载荷分布计算的改进的JH模型。经过计算对比,改进的JH模型不仅可以大大提高求解速度,而且在求解高速滚动轴承载荷分布的误差仅为0.2%。(2)考察了轴承在高速运行时,动刚度的变化规律,提出了一种计算动态刚度的解析方法和模型。基于轴承动态载荷分布与套圈偏移的计算结果,构建了动态载荷载荷与轴承内圈偏移的关系模型。利用隐函数求导的方式,按照刚度定义对外载荷在5个自由度方向上的偏移量求偏导,解得5阶轴承动态刚度矩阵。经过与其他文献和实验结果对比,验证了此计算模型的可行性,与常用的作图或数值差分计算方法相比,具有计算准确、结果稳定等优点。(3)考虑了滚动体、轴承套圈与滚道的制造误差,以及轴承间隙对轴承动态载荷分布、轴承动刚度的影响。该研究表明:轴承套圈或滚道曲率半径误差对轴承动态性能具有较大影响,而滚动体制造误差及其产生的间隙对轴承动态性能影响较小。由案例分析结果发现,高速旋转条件下,轴承制造误差产生的动态接触变形、动态接触角变化较大,从而使轴承动刚度有所下降。(4)研究了滚动轴承在高速机床上的振动原理及振动形式。研究了滚动轴承由于制造缺陷,制造误差所产生的滚动体通过振动以及由于轴承旋转时支撑结构的变化而产生的变刚度振动。通过对高速外圆磨床砂轮主轴系统的测试实验,验证了这些振动的存在,并由实验所得结果分析了这些振动的幅度大小及对整个系统的影响情况。综上所述,本文通过研究高速电主轴滚动轴承动力学性能,提出的改进的JH动态载荷计算模型、轴承动刚度解析方法和计算模型、考虑轴承制造误差和间隙的轴承动态载荷分布模型及其动刚度的计算模型等,可以为分析高速电主轴轴承动态特性,优化设计和选用高速电主轴轴承,提高高速电主轴工作性能和使用寿命等提供重要的理论依据和工程应用指导价值。