数控机床主轴轴承部件温度及热力学建模.pdf

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1、数控机床主轴轴承部件温度及热力学建模六口李中华口凡志磊口杨建国上海交通大学机械与动力工程学院上海200240摘要：机床设备误差中，热误差占很大比重，现以数控机床主轴轴承油膜润滑过程为研究对象，对轴承部件中的动压润滑轴承进行考虑温度对黏度影响的热力学建模，利用有限差分和超松弛迭代等数学方法及MATLAB和VB等工具软件，完成轴承油膜润滑分析软件的开发。该软件可以计算出各油膜润滑特征参数，并输出压强分布图，计算结果有助于分析主轴部件对热误差的影响，建立机床的热误差模型。关键词：雷诺方程油膜润滑温黏效应热力学建模MATLAB中图分类号：T

2、H133．37文献标识码：A文章编号：1000—4998(2010)06一O030—04研究表明，机床设备的热误差占机床总误差的￡——油膜温度40％一70％，要研究机床热误差，必须对机床各部件热——油膜中的压强力学特性进行分析，而机床主轴轴承作为机床重要部、分别为轴颈上的某一点速度的切向分件对机床热误差有不可忽视的影响，对此类轴承进行量和径向分量温度分析及热力学建模，有助于分析主轴部件对热误对此方程进行数值求解，即可得到油膜的压强分差的影响，建立机床的热误差模型。布，计算特性参数，完成热力学建模。本文主要研究对象为数控机床主轴部件中

3、的动压一般求解方法分两种：(1)考虑温度场变化，与能油膜轴承，此类轴承的油膜动力润滑机理，系由摩擦表量方程联立求解。(2)不考虑黏度，求出等黏度压强分面的几何形状和相对运动，借助黏性流体的动力学作布解。前者求解过程非常复杂，耗时费力，无法满足工用，靠两表面问的收敛楔形间隙形成流体动力油膜，产程需要，后者由于黏度变化对压强分布影响较大，计算生润滑油膜压力来支持外载荷。如图1所示楔形收敛问结果与实际结果相差很大。隙之间充满润滑介质，如果运动件有足够的速度且润本文提出一种新的方法，在考虑温黏效应的情况滑剂黏度满足条件，就能建立起流体动力油

4、膜，产生压下对雷诺方程进行求解，既带人了温度对黏度的影响，力并支承载荷限⋯。本文对轴承部件中的动压润滑轴又不用对复杂的能量方程联立求解。在迭代方法上，本承进行考虑温度对黏度影响的热力学建模。文对雷诺方程有限差分后，采用超松弛迭代法，极大地1轴承油膜润滑计算分析过程訾’设计出轴承润滑热力学在轴承润滑中，刚性圆形径向滑动轴承的油膜压忽略扰动并且只考虑稳态流动，对雷诺方程进行强满足雷诺方程：无量纲化：旦r鲤)+0(h30_p,Ox~Oxyy一=6[嵯++2]c3()+h3鲁：一(2)(1)式中：=／R、z=2y／B、=而h=l+~'COS

5、‘p、P式中：润滑油黏度——沿轴颈圆周方向的坐标rZp分别为X坐广沿轴向的坐标≥标、z坐标、油膜厚度、——油膜厚度，h=(1+BCOS)，其中占为鬻’I"油膜压强的无量纲形偏心率，=x／R留、0．——轴承相对间隙，=(一)／R式；A为轴承宽颈比，尺——轴瓦半径A=B／(2R)，B为轴承：广一轴颈半径宽度。整个方程的求解区★国家科技重大专项项目(编号：2009ZX04014—22)域，上半轴瓦为。≤收稿日期：2009~1z12月2010／6机械制造48卷第550期6Ol≤6Ol2，0≤≤1，下半轴瓦为6O21≤6O2≤6O22，0≤≤

6、∑∑一1。i1‘；l迭代的收敛条件：∑∑

7、一个网格部分。任一点的承载力可分解为两个方向的分量(，)，引入承载力F一6ptoR~B-=．，，∞为轴承运转角速度，tit一为无量纲油膜承载力，在如图2所示网格，以每四点上压强的平均值作为这个网格上的压强值进行数值积分可得出向承载力以及l，向承载力，计算JI，若ff>则修正初始偏位角6为，其中占：6一，重复进行迭代，不断修正占，直到llI≤为止，此时的6值即为轴承平衡位置时的偏位角，相应的1．2对雷诺方程进行有限差分为无量纲承载力。设压强分布在(i，J)处的近似值⋯根据有限1．4修正初始黏度[1差分的原理，将网格中(i，J)处微商用

8、(i一1／2，J)，对偏位角进行修正后，将得出更加精确的压强分(i+1／2，)、(i，J一1／2)、(i，J+1／2)各点的差商来代布，但温度变化引起的黏度变化也将对压强场产生影替。将雷诺方程化为有限差分方程：H()=【(6O)】，响