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预紧和转速对轴承温度的影响

更新时间:2023-11-20点击次数:332次

  主轴系统在工作过程中,转速越高,轴承生热量也就越多。过高的热量对主轴系统的速度、刚度以及精度都产生影响。稳态状态下,轴承的摩擦热会通过热传递的方式进行扩散。因此,温度分布是衡量主轴单元热传递能力、设计水平以及速度、精度性能的尺度。而轴承的摩擦热计算和主轴轴承热传递模型是温度计算的基础。

  主轴轴承接触载荷是指轴承滚珠与轴承内、外圈之间的接触力,计算轴承接触角和接触力是分析轴承生热以及变形的基础。为了分析轴承预紧力、转速对轴承动态特性的影响,研究预紧力、转速与轴承接触角、接触载荷之间的关系也是必不可少的。

  1、静态预紧状态轴承接触角变化以及轴向位移

  主轴轴承在预紧力作用下,接触变形将导致轴承内、外圈产生轴向位移同时轴承的接触角也会发生变化。为径向、轴向和力矩载荷联合作用下主轴轴承内、外圈的位移。

  联合载荷作用下,内外圈沟道曲率中心之间的距离随接触变形的增大而增大,沟道曲率中心之间的连线BD通过球心,轴承转动时,离心力的作用使滚珠的中心向外运动,同时,内圈沟道的离心位移和摩擦热引起的部件热位移使滚珠中心偏离沟道曲率中心的连线BD,内外圈的接触角不再相等。假设外圈沟道曲率中心固定,内圈沟道曲率中心可以相对移动。

  预紧是一种特定的受力状态,滚动轴承的预紧方式主要有两种:一种是定压预紧,另一种是定位预紧。定压预紧下内外圈可以产生轴向位移,但是它的轴向载荷始终恒定;定位预紧下,即使再承受其它的载荷作用,内外圈轴向位移近似不变。

  2、轴承摩擦

  轴承的摩擦是内外套圈相对转动时,轴承内部各元件对该运动阻抗的总和。按阻抗的机理和部位的不同,可分为五类。

  1)弹性滞后引起的纯滚动摩擦

  滚动体在负荷作用下沿滚道表面滚动,接触面下的材料将产生弹性变形。在接触消除后,弹性变形的主要部分恢复。但是,在负荷增加时,给定应力所对应的形变总是小于负荷减小时的形变。这称为弹性滞后现象。它反映了十定的能量损失,表现为滚动摩擦阻力。

  这部分能量帮助滚动体克服阻力继续前滚。但是,由于弹性滞后的原因,在接触区后部因弹性恢复而释放的能量总是小于接触区前部因弹性变形而损耗的能量。二者之差就是克服滚动摩擦力矩做功时转化的能量。

  2)发生在套圈和滚动体接触区的微观滑动摩擦

  滚动体滚动时,表面某点的表面线速度与该点到轴线的距离(半径)成正比。由于接触面是一个曲面,接触面各点到滚动体自转轴线的距离不相等,各点的线速度也不相等,因此只在某两点发生纯滚动,在接触面的中间部分和两侧产生方向相反的差动滑动。由于接触区很小,各点的线速度的差异甚微。故称为微观差动滑动摩擦。

  3)自旋滑动摩擦

  在角接触球轴承中,一旦有轴向载荷,钢球可能产生绕接触面法线相对于滚道的旋转运动一自旋运动。由此引起的滑动摩擦,称为自旋滑动摩擦。由于球与滚道的接触面积很小,自旋引起的相对滑动线速度不大,这类摩擦也属于微观滑动摩擦。

  4)宏观滑动摩擦

  动体并非理想的纯滚动运动。因种种原因滚动体在滚道上的运动常常是一种连滚带滑的运动。滚动体在内、外滚道上的宏观打滑所引起的摩擦及轴承中滑动接触部位引起的摩擦统称为宏观滑动摩擦。滚动体在内外滚道上的宏观打滑量与轴承的结构参数、转速、负荷及润滑剂粘度等诸多因素有关,目前尚无有效的计算方法。

  5)润滑剂的摩擦损耗

  润滑剂的摩擦损耗由两部分组成。一部分是润滑油膜的内摩擦阻力所引起。另一部分是滚动体和保持架在旋转时所受到的润滑剂的搅动阻力损耗。不论是弹流油膜或是滑动动压油膜,油膜的厚度都在微米数量级,接触区的面积很小,因而真正在接触区起润滑作用的润滑剂体积往往少于几个立方毫米。处于轴承内的绝大部分润滑剂都在运动元件的搅动下飞溅、碰撞,产生搅动阻力。润滑剂的摩擦损耗主要是搅动摩擦损耗。过量的润滑剂会引起很大的搅动阻力,造成轴承温升过高。对于脂润滑,建议不超过轴承内自由空间体积的1/3.研究表明,在适量的注油润滑和脂润滑条件下,轴承的滚动和滑动摩擦损耗占总的摩擦损耗的20%~30%;润滑剂的搅动摩擦损耗占50%~60%;密封圈的摩擦损耗占10%~30%。目前对滚动轴承摩擦机理的研究结果尚不能给工程技术人员提供在给定工况条件下因各类摩擦所引起的损耗的精确理论值。


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