本文選題：電主軸　切入點：水潤滑軸承　出處：《東南大學》2016年博士論文

【摘要】：隨著高速加工技術的發(fā)展,電主軸正向著高轉(zhuǎn)速、高剛度、大承載、高可靠性和長壽命等方向發(fā)展。近年來,水潤滑軸承電主軸技術倍受國內(nèi)外關注,相比于傳統(tǒng)的滾動軸承電主軸、油潤滑軸承電主軸以及空氣軸承電主軸等,水潤滑軸承電主軸技術具有高回轉(zhuǎn)精度、低摩擦、低功耗、高阻尼、大承載以及長壽命等優(yōu)良的綜合性能。水潤滑電主軸設計,首先要開展主軸轉(zhuǎn)子-軸承系統(tǒng)動力學特性分析,特別是電主軸在實際加工過程中,受切削力的影響,主軸不僅作沿坐標軸x,y,z方向的平動,還作繞x軸、y軸的轉(zhuǎn)動,因此有必要探討傾斜效應對水潤滑軸承及電主軸動態(tài)特性的影響。1)考慮傾斜效應的水潤滑軸承靜動特性建模分析�；诹黧w潤滑理論,考慮水的紊流效應以及主軸的傾斜效應,建立了水潤滑徑向軸承和水潤滑止推軸承流體潤滑數(shù)學模型,推導了水潤滑徑向軸承和止推軸承的平動、傾斜以及平動-傾斜耦合動態(tài)特性系數(shù)的計算方法；通過與實驗數(shù)據(jù)進行比較,表明所建立的模型和算法可用于分析水潤滑軸承的靜動特性。分析結(jié)果表明：傾斜效應對軸承的平動、傾斜以及平動-傾斜耦合動態(tài)特性系數(shù)的變化影響顯著。2)含大止推軸承的水潤滑電主軸剛性轉(zhuǎn)子動力學特性分析。基于牛頓第二定律和動量矩定理,建立了五自由度剛性轉(zhuǎn)子動力學模型；考慮了水潤滑徑向軸承和水潤滑止推軸承的平動、傾斜以及平動-傾斜耦合動態(tài)特性系數(shù),分析計算了主軸的動力學特性；并將計算結(jié)果與不考慮止推軸承傾斜效應的動力學模型計算結(jié)果進行比較。研究結(jié)果表明：不考慮止推軸承傾斜影響得到的主軸軸端徑向穩(wěn)態(tài)響應位移、徑向不平衡響應幅值均大于考慮止推軸承傾斜影響得到的主軸軸端徑向位移、徑向不平衡響應幅值。止推軸承傾斜效應對帶大止推盤水潤滑電主軸的轉(zhuǎn)子-軸承動力學影響不可忽略。3)高速水潤滑電主軸撓性轉(zhuǎn)子動力學特性分析。建立了高速水潤滑電主軸撓性轉(zhuǎn)子動力學模型,考慮徑向軸承的傾斜效應,推導了含軸承傾斜效應的單元傳遞矩陣,完成電主軸的臨界轉(zhuǎn)速、不平衡響應分析。分析比較了采用傳統(tǒng)的不考慮傾斜效應的8系數(shù)傳遞矩陣模型與本文建立的考慮軸承傾斜效應的32系數(shù)傳遞矩陣模型計算得到的主軸動態(tài)特性,結(jié)果表明：兩種模型對電主軸的一階臨界轉(zhuǎn)速的影響可以忽略,傳統(tǒng)模型得到主軸不平衡響應峰值大于考慮軸承傾斜效應模型的不平衡響應峰值。通過將理論計算結(jié)果與實驗數(shù)據(jù)進行比較,驗證了本文所推導的32系數(shù)模型的正確性。將考慮軸承傾斜效應的32系數(shù)軸承模型應用于主軸動力學計算,能更準確地模擬電主軸的轉(zhuǎn)子-軸承動力學性能。
[Abstract]:With the development of high-speed machining technology, motorized spindle is developing towards high speed, high stiffness, large load, high reliability and long life.In recent years, water lubricated bearing motorized spindle technology has attracted much attention at home and abroad. Compared with traditional motor spindle of rolling bearing, oil lubricated bearing motor spindle and air bearing electric spindle, water lubricated bearing motorized spindle technology has high rotary precision and low friction.Low power consumption, high damping, large load and long life.In the design of water lubricated motorized spindle, the dynamic characteristics of the rotor bearing system should be analyzed first. Especially, the motorized spindle is affected by the cutting force in the actual machining process, and the spindle not only moves in the direction of the coordinate axis xyyz.It is necessary to study the influence of tilt effect on dynamic characteristics of water lubricated bearing and motorized spindle. 1) Modeling and analysis of static and dynamic characteristics of water lubricated bearing considering tilting effect.Based on the theory of fluid lubrication, the mathematical models of water lubricated radial bearing and water lubricated thrust bearing are established, considering the turbulent effect of water and the inclination effect of spindle, and the horizontal motion of water lubricated radial bearing and thrust bearing is deduced.By comparing with experimental data, it is shown that the proposed model and algorithm can be used to analyze the static and dynamic characteristics of water-lubricated bearings.The results show that the tilting effect has a significant effect on the dynamic characteristics of the hydro-lubricated motorized spindle rotor with large thrust bearing.Based on Newton's second law and the theorem of moment of momentum, the dynamic model of a rigid rotor with five degrees of freedom is established, and the coupled dynamic coefficients of water lubricated radial bearing and water lubricated thrust bearing are considered.The dynamic characteristics of the spindle are analyzed and calculated, and the calculated results are compared with those of the dynamic model without considering the tilting effect of thrust bearings.The results show that the radial steady-state response displacement of the shaft end is larger than that of the thrust bearing tilting effect, and the radial unbalance response amplitude is larger than that of the thrust bearing tilting effect, and the radial displacement of the shaft end is larger than that of the thrust bearing tilting effect.Amplitude of radial unbalanced response.The effect of thrust bearing tilting effect on rotor bearing dynamics with large thrust disc hydrolubricated motorized spindle can not be ignored. 3) dynamic characteristics of flexible rotor of high speed water lubricated motorized spindle are analyzed.The dynamic model of flexible rotor of high speed water lubricated motorized spindle is established. Considering the tilting effect of radial bearing, the element transfer matrix with bearing tilting effect is derived, and the critical speed and unbalanced response analysis of the motorized spindle are completed.The dynamic characteristics of spindle calculated by using the traditional 8 coefficient transfer matrix model without considering the tilting effect and the 32 coefficient transfer matrix model with bearing tilting effect established in this paper are analyzed and compared.The results show that the influence of the two models on the first order critical speed of the motorized spindle can be neglected. The traditional model shows that the peak value of the unbalance response of the spindle is greater than that of the model with bearing tilting effect.The correctness of the 32 coefficient model derived in this paper is verified by comparing the theoretical results with the experimental data.The 32 coefficient bearing model considering the bearing tilting effect is applied to the dynamic calculation of the spindle, which can more accurately simulate the rotor-bearing dynamic performance of the motorized spindle.
【學位授予單位】：東南大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：TG502.3

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本文編號：1707937