高速滚动轴承弹流润滑及动力学性能研究

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高速电主轴的动态性能直接影响高速加工的质量与效率,而高速滚动轴承作为高速电主轴的核心部件,良好的润滑状态是其正常运行的前提,也是影响其动力学性能的重要因素。因此,针对高速滚动轴承弹流润滑特性与动力学性能的研究具有重要意义。传统轴承分析方法涉及润滑因素对轴承的影响时,大多通过变换摩擦系数来表征不同的润滑状态,因此不能反映轴承的真实运转状态。本文提出了考虑弹流润滑的高速滚动轴承动力学分析方法,模拟分析了润滑黏度因素对高速滚动轴承动力学性能的影响;结合高速滚动轴承润滑黏度试验和轴承滚动面表面损伤分析,明确了润滑黏度因素对高速滚动轴承性能的影响。文章的主要研究工作包括以下几个方面:(1)对高速工况下的轴承滚动体进行了运动学分析,计算了滚动体公转速度、自转速度等重要参数,通过Hertz接触理论对滚动体与滚道的接触变形进行了计算,采用膜厚比来判定滚动轴承的润滑状态,对不同润滑状态下的滚动体摩擦力进行推导计算,明确了滚动轴承的弹流润滑特性,在考虑弹流润滑的情况下对高速滚动体进行了受力分析,明确了内外套圈、保持架、润滑油对滚动体的作用力。(2)建立了考虑弹流润滑的高速滚动轴承动力学分析数学模型,明确了润滑黏度与轴承膜厚比、油膜摩擦力的关系,进行轴承动力学微分方程组求解,模拟分析了润滑黏度、沟曲率系数、内圈转速、轴向载荷、径向载荷等参数对滚动轴承动力学性能的影响。(3)通过T30-70轴承高速试验机对7014C型轴承进行高速试验,测试陶瓷轴承和钢制轴承在不同润滑黏度条件下的振动和温升值。结果发现:高速工况下,随着滚动轴承润滑黏度的增大,其温升与振动均呈现出先下降后上升的趋势;润滑黏度对滚动轴承高速性能的影响程度随转速的增大而增大,即适用的润滑黏度范围随转速的增大而减小;转速为12000 r·min-1时,陶瓷轴承与钢制轴承的动态性能差别不大,然而随着转速增加,陶瓷轴承表现出更优越的性能,适用的润滑黏度范围也较钢制轴承更广;轴承振动的试验值与模拟值对比,两者数值接近,趋势相似,均表现出了滚动轴承弹流润滑特性。(4)对不同润滑状态下运转后的轴承零件表面进行显微形貌观测、表面粗糙度测量以及表面3D轮廓扫描,进行轴承零件表面损伤分析。结果表明:部分膜弹流润滑状态下轴承滚动面损伤较全膜弹流润滑状态严重,滚动轴承内套圈外滚道与滚动体的表面损伤相比外套圈内滚道严重,钢制轴承零件的表面损伤较陶瓷轴承严重。
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