xunaa 文字|阿基米德
编辑梁启忠
前言
预紧是保持角接触球轴承良好性能的有效方法。它是通过采用统一的方法对轴承系统施加严格且恒定的预紧力来实现的。在严格的预紧条件下，间隙垫片的表面是倾斜的。或在恒定预紧力下弹簧的刚度不一致，导致加载不均匀。
提出了一种集成非均匀效应的新方法，利用该方法可以改善轴承在实际操作条件下的性能。研究了轴承系统的刚度行为与非均匀预紧力之间的关键关系。基于琼斯模型，建立了非均匀预紧角接触球轴承的刚度函数并进行了分析。
基于这些函数，确定边界条件并用于计算局部接触变形并预测预紧力不均匀时的轴承刚度。陶瓷和钢球轴承的刚度在非均匀预载和各种运行条件下进行模拟。与传统方法相比，新方法在非均匀预载下具有更好的刚度预测性能，这将为设计人员对转子轴承系统的动态分析和优化提供深入的见解。
角接触球轴承
随着对更高生产率的需求不断增加，加工速度也越来越高。高速加工技术因其较低的切削力和较高的生产率而在各个行业中越来越受欢迎。
高速主轴是高速加工的关键部件。通常，为了保证高刚度，这些轴承的刚度对临界转速、结构的振动模式以及转子-轴承系统的振动响应具有重要影响。
由于轴承的预紧力，轴承的套圈和球会产生局部接触变形，但这实际上有利于转子-轴承系统的刚度和工作寿命。为了保证主轴的高刚度，通常对轴承系统施加初始预紧力。传统的轴承预紧方法可分为以下几种：严格预紧、恒定预紧和变预紧。
可变预紧技术是最常用的预紧方法，适用于各种切削条件，如低速范围内的重切削和高速范围内的轻切削。这引起了世界各国学者的广泛关注。在一定条件下，主轴的温升和动刚度优异。
所开发的装置利用离心力根据加工条件提供适当的预紧力。基于主动轴承载荷监测和控制机制，集成应变片载荷传感器和压电执行器可以根据切削条件在线调节轴承预紧力。
上述处理方法均未考虑预紧力不均匀的情况。由于在非均匀预紧条件下轴承的刚度不再均匀，传统方法可能不适合优化预紧问题。
提出了角接触球轴承非均匀预紧的通用模型。首先，“背景”部分讨论了球轴承的不均匀预载。在“非均匀预载条件下的轴承刚度模型”一节中，基于迭代轴承平衡，提出了非均匀预载轴承的刚度模型和计算过程。
分别应用陶瓷球轴承和钢球轴承研究高速和低速旋转条件下的轴承刚度。在“结果与讨论”部分中，介绍并讨论了陶瓷和钢球轴承的代表性仿真结果，以评估非均匀预紧力。影响。
球轴承的非均匀预紧
对于加工中心来说，主轴运行速度范围较宽，切削条件也不同。因此，严格的预紧力和恒定的预紧力很难保证主轴性能的一致性。虽然已经开发出可以在不同转速下自动调节预紧力的系统。力的可变预紧技术，但这些预紧方法中往往忽略了切削条件。
提出了一种新颖的预加载方法，称为非均匀预加载方法。在不均匀预紧条件下，轴承的刚度也是不均匀的，这有助于提高轴承性能，延长主轴寿命。力的作用方式包括严格预紧力、可变预紧力和非均匀预紧力。
在轴承载荷分布不均匀的情况下，理想中心轴线与实际中心轴线之间会产生夹角，从而引起球与轴承套圈之间的应力急剧变化。
由于轴承的寿命高度依赖于轴承的最大接触应力，因此轴承的寿命会缩短。为了解决这一问题，采用恒定预紧、弹簧预紧和变预紧等预紧方法来平滑应力分布，提高轴承寿命。
基于角动量守恒和力平衡原理，建立了新颖的轴承平衡方程。根据该方程，可以获得非均匀预紧条件下轴承的性能。
为了实现非均匀预紧，执行机构安装在轴承的外圈上。 Z方向的力可以分解为具有相同值的力，并且基于环是刚性的假设，基于该假设推导出力矩Mx和My。得出，根据琼斯模型，可以计算出轴承的刚度。
分析中，以Z方向为轴向，轴承的接触载荷定义为Q，可分解为X、Y、Z方向三个载荷Qrx、Qry、Qz。
带非均匀预紧的轴承刚度解决过程
基于非均匀预紧模型，计算了轴承在不同工况下的刚度和接触力。选用陶瓷球轴承SKF 7012C和钢球轴承NSK 7210C来模拟球轴承在高速和低速时的刚度。这两个总结了各个轴承的基本参数。
为了研究高速轴承的不均匀效应，选用陶瓷球轴承SKF 7012CD/HCP4A。在油气润滑下，轴承最高转速可达26,000转/分。仿真中，根据不均匀预紧的影响，将20000 rpm作为最高转速。
根据建议的1200 N 高预紧力，应用了1150 N 的最大预紧力。为了研究力矩和外力的影响，设计了四种加载条件：（1）条件一：预紧力Fz，（2）条件二：预紧力Fz和绕平行于X方向的轴线的力矩（ (3) 条件III：X 和Y 方向上的预紧力Fz 和径向力（Fx 和Fy），以及(4) 条件IV：预紧力Fz、X 和Y 方向上的径向力（Fx 和Fy） ）以及绕X 轴和Y 轴（Mx 和My）的平行轴的力矩。
钢球轴承NSK 7210CTYNSUL/P4 用于评估低速时的轴承刚度。在脂润滑下，轴承的极限转速为16,500 rpm。对于背靠背轴承布置，高预紧力为1180 N，速度系数为0.55，因此，轴承的最高速度为9075 rpm。
仿真中，根据均匀加载条件，最高转速为9000 rpm。为了防止球轴承失效，非均匀预紧工况下最高转速选择为6000rpm。
通过比较球轴承外圈上六个点的载荷，点1 和4 处施加的载荷对球轴承的刚度具有相同的影响。这是由于球轴承的轴对称结构和点2 处的预紧力不均匀造成的。在、3、5 和6 处也可以观察到相同的现象。
预紧力和转速对轴承刚度的影响
显示了球轴承的五个刚度之间的关系，包括X和Y方向的径向刚度、轴向刚度、绕平行轴的角刚度。预紧力、X和Y方向的径向刚度相等。这是由于球轴承的轴对称结构，并且平行于X 和Y 方向的轴周围的角刚度也适用。
可以看出，当预紧力和转速增大时，径向刚度Kxx和Ky也增大。当转速为10000rpm、预紧力为50N时，径向刚度约为1e5N/mm，轴的径向刚度Kzz低于相同工况下的径向刚度。当对该陶瓷球轴承施加最高转速20,000 rpm 和最大预紧力1150 N 时，最大径向刚度(4.5e5 N/mm) 约为轴向刚度(5.5e4 N/mm) 的8 倍。
轴向刚度与预紧力大致呈线性关系，转速对轴向刚度影响不大。当预紧力增大时，轴向刚度Kzz先增大，然后随着转速增大而减小。由此可见，角刚度、转速和预紧力之间的关系与轴向刚度、转速和预紧力之间的关系相同。
与其他刚度相比，角刚度具有最高值，其最大值约为4.2e7 N·mm/rad。随着预紧力的增加，径向、轴向和角刚度均增加。原因是随着预紧力的增加，角刚度增加。随着预紧力的增大，球与内外圈之间的接触角和载荷也增大。
在预紧力恒定的情况下，当外部轴向载荷增加时，轴向变形的增量逐渐减慢。这是因为随着外部轴向载荷的增大，接触角也增大，从而进一步增大轴向变形。滚珠轴承刚度。随着径向载荷的增加，径向变形呈非线性变化，特别是在低预载荷条件下。当径向外力大于Fz/tan时，由于部分钢球脱离滚道，径向刚度会降低。脱落。
该图显示了条件I 至IV 下的轴承刚度。与条件一（正常条件）不同，条件二下轴承产生绕平行于X方向的轴线的力矩。条件I和条件II下的刚度几乎相同。
所有轴承的刚度随着转速和预紧力Fz的增加而非线性增加。径向刚度比轴向刚度和角刚度表现出更强的非线性特性。可以看出，当对球轴承施加最小警告力Fz=50 N时，在条件I至IV下刚度没有显着差异。
外部载荷和转速对轴承刚度和接触力的影响
在条件III和IV下，当转速增加时，刚度也增加。对比工况和工况IV的刚度，可以发现曲线趋势相同。当速度变化时，刚度值几乎没有差异。在不同转速下，Kzz变化很小，这表明在这些载荷条件下，轴承刚度不受不均匀预紧力的影响。
工况III和IV下，轴承刚度几乎相同，Kxx和Ky随着转速的增加而增大，Kthetax和Kthetay的值最大，Kzz最小。当转速从10,000 rpm变为20,000 rpm时，Kxx和Ky从1e5增加到4e5 N/mm，Kthetax和Kthetay从2e6增加到8e6 Nmm/rad，Kzz从3000增加到10,000 N/mm。
在工况III和IV下，随着载荷的增加，轴承刚度也迅速增加。具体来说，当载荷值从50 N增加到1350 N时，Kxx和Kyy从2e5增加到6e5 N/mm，Kthetax和Kthetay从2e6增加到8e7 Nmm/rad。根据非均匀预紧力和不同加载条件下的刚度计算结果，我们可以得出结论，尽管加载条件发生变化，刚度曲线和值几乎保持不变。
在预紧力恒定的情况下，球轴承的径向刚度随着转速的增加而急剧下降。当转速增加时，径向刚度和角刚度会急剧下降，然后逐渐增加。当向轴承施加最小预紧力时，刚度会出现最大下降。
与SKF 7012C轴承相比，NSK 7210C轴承的径向和角刚度对速度的影响更为显着，大于预紧力的影响。 X、Y方向的径向刚度和角刚度变化趋势相同，这是由于轴承的轴对称结构所致。
在最低转速为1000 rpm 时，当向轴承施加最大预紧力1000 N 时，会出现最大刚度。当速度增加时，球的离心力迅速增大，进一步减小了球与外圈滚道之间的间隙。接触角增大，产生接触力，相反，球与外圈滚道之间的法向接触刚度和径向刚度增大。
结论
预载对轴承刚度有关键影响。高速工况下，转速对径向刚度Kxx和Ky影响较大，而低速工况下，转速的增加对径向刚度和角向刚度影响较大。
外力对高速下接触力和轴承刚度的影响比外扭矩更大。在不同载荷条件下，有外扭矩和无外扭矩的轴承刚度几乎相同。
当外力作用在轴承上时，套圈与球之间的接触力呈现出明显的不均匀分布。另外，在高速和不同载荷条件下，外圈与球之间的最大接触力高于内圈与球之间的最大接触力。它们之间的接触力。最大接触力的位置与外力产生的合力的方向有关。外力引起的不均匀接触力会缩短轴承的使用寿命。
轴承低速运转时，预紧力对轴向刚度的影响大于转速的影响，且径向刚度随转速的变化而明显下降。随着转速的增加，这种效应随着预紧力的增加而逐渐减弱。
非均匀预紧力产生的力矩对角刚度有重要影响。 X轴和Y轴平行方向的角刚度受力施加点的位置影响。产生的力矩越大，角刚度越高。
参考文献
[1]黄玉坤，李春明，《机床主轴滚动轴承预紧技术综述》，2010。
【2】蒋松，毛华，《机床主轴可变最佳预紧力研究》，2010。
【3】黄玉坤，李春明，《利用离心力的主轴轴承自动可变预紧装置的研制》，2009。
用户评论
这个研究很厉害啊！搞懂了角接触球轴承在不同状态下的刚度变化！
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非均匀预紧，听着就感觉很有技术含量...
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这篇文章对优化设计提供了很大帮助，感谢作者的研究!
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角接触球轴承的刚度模型一直是大家研究的方向，这个方法看起来很新颖。
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想了解一下具体非均匀预紧的效果，能更直观地展示吗？
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优化设计能让轴承的使用寿命延长不少吧？
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读了这篇文章以后感觉我的机械知识又提升了一层！
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基于非均匀预紧设计的角接触球轴承，会不会性能更好呢？
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非常期待看到这个优化设计的应用场景!
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这方面研究确实很重要，可以解决很多工程难题。
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佩服作者对角接触球轴承的深入研究！
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非均匀预紧的原理是什么呢？能解释一下吗？
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这个刚度模型的研究成果是不是可以应用到其他的场合呢？
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看了本文后，我对角接触球轴承的性能有了更清晰的认识。
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优化设计的关键点在哪里啊？有什么具体的措施可以参考吗？
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文章写的很专业，对理解这个研究很有帮助，谢谢作者！
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基于非均匀预紧的设计，能有效提高角接触球轴承的精度和寿命吗？
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我一直在研究机械润滑，看到这个研究感觉很有价值!
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非均匀预紧的应用前景怎么样？未来会发展成什么样子呢？期待更深入的研究。
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角接触球轴承在哪些领域都有使用？
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