基于热-结构耦合的高速车削电主轴特性分析硕士论文

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1、广东工业大学硕士学位论文基于热－－结构耦合的高速车削电主轴特性分析姓名：周彪申请学位级别：硕士专业：机械制造及其自动化指导教师：马平201205摘要摘要高速车削电主轴运行中，电机的损耗发热和轴承的摩擦发热使系统温度升高。轴承在温升的影响下，产生热诱导预紧力，导致预紧力增大。轴承预紧力大小直接决定轴承的刚度大小，而轴承的刚度大小直接影响整个主轴系统的固有频率大小及动态响应。主轴高速旋转时，轴承的离心力影响也不可忽略。因此，本文通过推导轴承温升与热诱导预紧力的方程，建立车削电主轴的热态与主轴系统动态的耦合模型，分析电主轴的热态对主轴系统动态的影响。以ANSYS软件为平台，采用有限元方法

2、先分析车削电主轴的热．结构特性；再提取电主轴稳态热分析后的轴承内圈、滚珠和外圈温度值用以计算热诱导预紧力；最后研究热诱导预紧力和离心力联合作用下的主轴系统动力学特性。主要研究内容如下：(1)计算电机的损耗发热和混合陶瓷球轴承的摩擦发热；分析初始预紧力、初始接触角、滚动体数目、润滑油粘度对轴承发热量的影响。根据电主轴对流换热的特点，计算相关零部件的对流换热系数与转速的关系。基于有限元软件ANSYS，研究电主轴转速为6000r／min时的稳态、瞬态和热变形等热态特性，对两种改进轴承温升的措施进行分析。(2)根据轴承系统的热．力学模型计算热诱导预紧力。研究混合陶瓷球轴承的轴向预紧，计算轴

3、承的径向刚度。分析热诱导预紧力和离心力的联合作用对轴承实际预紧力以及径向刚度的影响。以ANSYS软件为平台，建立主轴系统在热影响下的三维有限元模型。与电主轴传统的动态特性分析不同，本文在热诱导预紧力和离心力的联合作用下研究电主轴的模态及谐响应特性。分析主轴系统的动刚度随转速的变化趋势以及前端、中端、后端三个位置在共振频率处所发生的最大动态位移，为车削电主轴的动态特性设计提供理论参考依据。关键词：车削电主轴；热态；热诱导预紧力；动态：有限元；ANSYS广东工业大学硕士学位论文ABSTRACTWhenthelathemotorizedspindleoperates，itsthermal

4、lossofmotorandfrictionheatofbearingswillincreasethewholesystemtemperature．Thebearingsystemwillinducethermalpreloadundertheinfluenceoftemperaturerise，resultinginincreasethebearingpreload．Thebearingpreloaddirectlydeterminesthebearingstiffness，bearingstiffnessdirectlyaffectsthenaturalfrequencyand

5、dynamicresponseofthewholespindlesystem．Thebearingcentrifugalforcecan’tbeignoredwhenthespindleworksathighspeed．Therefore，bydeducingtheequationbetweenbearingtemperatureandthermallyinducedpreload，thecouplingmodelcanbeestablishedbetweenthelathemotorizedspindlethermalcharacteristicsandspindledynami

6、c．Andweanalyzedynamiccharacteristicsofthemotorizedspindleaffectedbythethermalstate．Thispaperfirstusesthefiniteelementtoanalyzethethermal—structurecharacteristicsofthemotorizedspindleastheANSYSsoftwareforplatform．Thenpickuptheinnerring，ballandouterringtemperatureafterthesteady-statethermalanaly

7、sisofthemotorizedspindletocalculatethethermallyinducedpreload．Atlast．studythespindledynamiccharacteristicsunderthecombinedeffectsofthethermallyinducedpreloadandthecentrifugalforce．Themainresearchcontentsasfollows：(1)Thebearingfrictionhe