基于电主轴热特性的转子系统动态特性分析
发布时间：2023-12-02 15:24
数控机床是实现高速加工的关键设备,而电主轴是数控机床核心部件,其动力学特性是影响机床加工精度和稳定性的重要因素。然而,在电主轴高速旋转的过程中,由主轴电机和轴承发热引发的轴承沟道热位移将使得电主轴转子系统动力学性能发生明显改变。所以进行主轴动态特性和热态特性耦合研究已成为电主轴开发工作的迫切需求。本文以为150MD30Y10磨削用电主轴为研究对象,为得出电主轴热态特性对轴承动力学性能以及电主轴动态特性的影响,进行了如下研究工作:首先综合考虑电主轴驱动系统和散热系统,确定了其内部热源和各边界的散热条件,利用COMSOL有限元分析软件建立了电主轴温度场有限元模型,得出了不同转速下电主轴内部温度的分布情况,并根据仿真所得温度计算得出轴承内外圈沟道相对轴向热位移和相对径向热位移;然后结合轴承内外圈沟道热位移,根据拟静力学研究方法求解在热位移和内圈离心膨胀共同影响下轴承支撑刚度,并对比分析不同预紧力和滚动体材料对轴承刚度影响;接着利用Ansys Workbench有限元分析软件,建立电主轴转子系统有限元模型,将所求轴承的支撑刚度作为边界条件,对电主轴系统进行模态分析和谐响应分析,从而得出基于轴承...
【文章页数】：83 页
【学位级别】：硕士
【文章目录】：
摘要
Abstract
第一章 绪论
1.1 选题背景
1.1.1 电主轴基本结构
1.1.2 电主轴关键技术
1.1.3 电主轴主要特性介绍
1.2 国内外研究现状
1.2.1 电主轴热态特性研究现状
1.2.2 电主轴动态特性研究现状
1.2.3 电主轴耦合场研究现状
1.3 存在的问题
1.4 电主轴动态和热态特性研究方法
1.4.1 传递矩阵法
1.4.2 有限元法
1.4.3 软件和程序的开发
1.5 电主轴动热耦合的研究目的与意义
1.6 研究内容
第二章 电主轴温度场及轴承热位移计算分析
2.1 电主轴损耗分析与生热计算
2.1.1 电主轴定转子生热量计算
2.1.2 角接触轴承生热量计算
2.2 电主轴各边界换热系数计算
2.2.1 传热学基本理论
2.2.2 电主轴各边界换热类型
2.3 电主轴温度场有限元模型的建立
2.3.1 几何建模
2.3.2 选择物理场及设置边界条件
2.3.3 网格划分
2.4 电主轴温度场分析
2.4.1 电主轴瞬态温度场分析
2.4.2 电主轴稳态温度场分析
2.5 轴承沟道相对热位移计算分析
2.5.1 基本理论
2.5.2 轴承内圈沟道径向热位移
2.5.3 轴承外圈沟道径向热位移
2.5.4 轴承沟道轴向相对热位移
2.6 本章小结
第三章 基于热位移的轴承动力学特性分析
3.1 轴承运动学分析
3.1.1 轴承滚动体运动分析
3.1.2 Harris理论
3.1.3 滚动体转速求解
3.2 赫兹理论介绍
3.2.1 基本理论
3.2.2 角接触轴承曲率和与曲率差计算
3.2.3 赫兹接触的简化解
3.3 轴承动力学模型的建立
3.3.1 变形方程
3.3.2 轴承滚动体平衡方程
3.3.3 轴承受力平衡方程
3.3.4 轴承支撑刚度
3.4 轴承动力学特性分析
3.4.1 离心力与陀螺力矩
3.4.2 接触载荷与接触角
3.4.3 轴承瞬态刚度与稳态刚度分析
3.5 轴承刚度影响因素分析
3.5.1 预紧力对轴承静刚度影响分析
3.5.2 不同滚珠材料对角接触轴承刚度影响分析
3.6 本章小结
第四章 电主轴转子系统动态特性分析
4.1 转子系统模态分析和谐响应分析理论基础
4.1.1 模态分析模型的建立
4.1.2 谐响应分析模型的建立
4.2 电主轴动态特性有限元模型的建立
4.3 电主轴模态分析
4.4 转轴谐响应分析
4.5 转子系统固有频率影响因素分析
4.6 本章小结
第五章 电主轴热态动态特性实验
5.1 电主轴实验系统组成
5.1.1 电主轴调控装置
5.1.2 电主轴冷却条件
5.2 电主轴温升实验
5.2.1 电主轴温升实验设备
5.2.2 测试步骤
5.2.3 仿真结果与实验结果对比分析
5.3 电主轴动态特性实验
5.3.1 电主轴振动实验设备
5.3.2 电主轴振动实验
5.3.3 主轴模态实验
5.4 本章小结
第六章 结论与展望
6.1 结论
6.2 创新点
6.3 展望
参考文献
作者简介
作者在攻读硕士学位期间获得的学术成果
致谢
本文编号：3869940
【文章页数】：83 页
【学位级别】：硕士
【文章目录】：
摘要
Abstract
第一章 绪论
1.1 选题背景
1.1.1 电主轴基本结构
1.1.2 电主轴关键技术
1.1.3 电主轴主要特性介绍
1.2 国内外研究现状
1.2.1 电主轴热态特性研究现状
1.2.2 电主轴动态特性研究现状
1.2.3 电主轴耦合场研究现状
1.3 存在的问题
1.4 电主轴动态和热态特性研究方法
1.4.1 传递矩阵法
1.4.2 有限元法
1.4.3 软件和程序的开发
1.5 电主轴动热耦合的研究目的与意义
1.6 研究内容
第二章 电主轴温度场及轴承热位移计算分析
2.1 电主轴损耗分析与生热计算
2.1.1 电主轴定转子生热量计算
2.1.2 角接触轴承生热量计算
2.2 电主轴各边界换热系数计算
2.2.1 传热学基本理论
2.2.2 电主轴各边界换热类型
2.3 电主轴温度场有限元模型的建立
2.3.1 几何建模
2.3.2 选择物理场及设置边界条件
2.3.3 网格划分
2.4 电主轴温度场分析
2.4.1 电主轴瞬态温度场分析
2.4.2 电主轴稳态温度场分析
2.5 轴承沟道相对热位移计算分析
2.5.1 基本理论
2.5.2 轴承内圈沟道径向热位移
2.5.3 轴承外圈沟道径向热位移
2.5.4 轴承沟道轴向相对热位移
2.6 本章小结
第三章 基于热位移的轴承动力学特性分析
3.1 轴承运动学分析
3.1.1 轴承滚动体运动分析
3.1.2 Harris理论
3.1.3 滚动体转速求解
3.2 赫兹理论介绍
3.2.1 基本理论
3.2.2 角接触轴承曲率和与曲率差计算
3.2.3 赫兹接触的简化解
3.3 轴承动力学模型的建立
3.3.1 变形方程
3.3.2 轴承滚动体平衡方程
3.3.3 轴承受力平衡方程
3.3.4 轴承支撑刚度
3.4 轴承动力学特性分析
3.4.1 离心力与陀螺力矩
3.4.2 接触载荷与接触角
3.4.3 轴承瞬态刚度与稳态刚度分析
3.5 轴承刚度影响因素分析
3.5.1 预紧力对轴承静刚度影响分析
3.5.2 不同滚珠材料对角接触轴承刚度影响分析
3.6 本章小结
第四章 电主轴转子系统动态特性分析
4.1 转子系统模态分析和谐响应分析理论基础
4.1.1 模态分析模型的建立
4.1.2 谐响应分析模型的建立
4.2 电主轴动态特性有限元模型的建立
4.3 电主轴模态分析
4.4 转轴谐响应分析
4.5 转子系统固有频率影响因素分析
4.6 本章小结
第五章 电主轴热态动态特性实验
5.1 电主轴实验系统组成
5.1.1 电主轴调控装置
5.1.2 电主轴冷却条件
5.2 电主轴温升实验
5.2.1 电主轴温升实验设备
5.2.2 测试步骤
5.2.3 仿真结果与实验结果对比分析
5.3 电主轴动态特性实验
5.3.1 电主轴振动实验设备
5.3.2 电主轴振动实验
5.3.3 主轴模态实验
5.4 本章小结
第六章 结论与展望
6.1 结论
6.2 创新点
6.3 展望
参考文献
作者简介
作者在攻读硕士学位期间获得的学术成果
致谢
本文编号：3869940
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