[发明专利]一种利用金属材料的热特性调节轴承预紧力的方法及装置

摘要

本发明涉及一种利用金属材料的热特性调节轴承预紧力的方法及装置，方法包括建立确定主轴发热和温升热分析模型，对于轴对称结构的温度分布采用圆柱坐标系，确定边界条件；计算主轴前后轴承在不同转速、不同预紧力状态摩擦发热和功率损耗；确定轴承轴向变位和预紧力关系；根据上述计算的数据，选择制作双层隔套的两种热膨胀率相差大的材料，将主轴前端两轴承间的隔套、或轴承与对应的机架之间的隔套换为由两种材料制作的长度不同的双层隔套；隔套热膨胀的伸长量取决于套筒长度，确定套筒轴向尺寸，伸长量要满足对轴承的变位量。本发明能得到比较准确的设计参数，为调节轴承预紧力的装置提供设计参数，该方法和装置简单实用，基本不改变主轴结构而有效调节轴承预紧力。

主权项

1、一种利用金属材料的热特性调节轴承预紧力的方法，其特征在于：包括步骤如下： (1)建立确定主轴发热和温升热分析模型，对于轴对称结构的温度分布采用圆柱坐 标系，确定边界条件： 设定物体与外界接触边界上的温度T₀为已知，导热系数为λ，设边界外法线方向热通 量q₀为已知，且T/n_|τ＝-q₀/λ为常数，介质与物体间的热交换系数为a，则确定在边 界上的热交换条件： λ(T/n)＝a(T₀-T) 然后求得单元温度刚性矩阵{k_t}^e和总温度矩阵[T]，建立主轴有限元模型，模型单元由 面旋转成体，划分网格建立的有限元模型计算方法； 热参数计算为，设轴承功率损耗P为主轴上热流率： P＝M₁×(n×2×π/60)×10^-3(W) M₁-轴承摩擦力矩，n-主轴转速。 摩擦力矩M为： M＝M₀+M₁N·mm M₀-由润滑剂引起的流体动力损耗，与润滑剂粘度和润滑剂的量及速度有关 主轴导热过程包括轴向和径向导热，选取导热系数和对流换热系数后可以进行发热量 和温度场求解，轴承功率损耗为发热源，在轴承支承处按照热流密度进行加载，其余边界按 对流换热边界条件处理； (2)计算主轴前后轴承在不同转速、不同预紧力状态摩擦发热和功率损耗； (3)确定轴承轴向变位和预紧力，关糸式为： E＝K_aF_a^2/3式中：E--轴承内、外圈轴向相对错移量，即轴承的轴向变位； F_a--作用于轴承上的轴向预紧力； K_a--轴承的弹性变形系数，通过这种关系得到轴承预紧力和材料热伸长量的计算 数值； (4)根据上述计算的数据，选择制作双层隔套的两种热膨胀率相差大的材料，将主轴前 端两轴承间的隔套、或轴承与对应的机架之间的隔套换为由两种材料制作的长度不同的双 层隔套，两种材料的热膨胀率相差大，且热膨胀率大的轴套常温时轴向尺寸较小，在低温时， 热膨胀率小的长套筒(1)顶住轴承内圈，对轴承施加预紧载荷，随着转速增加，温度升高， 热膨胀率大的短套筒(2)伸长后超出长套筒的长度，推动轴承内圈产生一定变位，控制预紧 载荷不会因发热伸长而增大； (5)隔套热膨胀的伸长量取决于套筒长度，确定套筒轴向尺寸，伸长量要满足对轴承 的变位量，根据前面介绍的发热计算方法和结果，套筒长度计算如下： 确定套筒等长时温度T_d及轴承工作温度范围T₀，通常，T_d＜T₀。 计算达到轴承允许工作温度临界值的最低转速n₁下温度降至T_m时的预紧力F_T，取T_d＜ T_m＜T₀；计算热膨胀率大的短套筒作用后轴承所受预紧载荷和所要求的轴承预紧变位量E。 设L₁和L_g分别为热膨胀率较大的短套筒长度，a₁和a_g为对应热膨胀系数，伸长量由 下式计算： E＝L₁a₁(T_m-T_t)+L1-L_ga_g(T_m-T_t)-L_gL₁a₁×(T-T_t)+L₁＝L_ga_g(T-T_t)+L_g式中T_m是在未改变预紧载荷时转速为n₁时的温度，T_t是环境温度，由联立方程组可解 出两种材料套筒的设计长度L₁和L_g。 当T＜T_d，L_g＞L₁，由长套筒施加预紧载荷，当T＞T_d，L_g＜L₁，短套筒对轴承施加预紧 载荷， 当T＞T_d，L_g＜L₁，轴承内外圈产生附加变位E，预紧载荷减小， 轴承必须在最小预紧载荷F_q下才能正常工作，根据计算轴承处于最小预紧载荷时预 紧载荷减小的最大量及对应套筒的伸长量，可计算套筒所允许的最高工作温度T_q。