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机床深沟球轴承的参数优化
来源: | 作者:newtadpole | 发布时间: 2017-05-10 | 1229 次浏览 | 🔊 点击朗读正文 ❚❚ ▶ | 分享到:
      主轴的回转精度是机床加工精度的一项重要指标，它直接影响到所加工零件的精度。在机床工作时，高速旋转的主轴轴承承受着较大的径向载荷，这对主轴回转精度有着非常关键的影响。因此，主轴轴承在工作时自身的动力学特性直接关系着机床在加工过程中的精度和可靠性。
      以机床传动系统中的深沟球轴承6203为例进行研究，基于ANSYS/LS-DYNA建立轴承的有限元模型，分析该轴承在不同几何参数条件下动力学特性的变化，得出该轴承在其自身工况条件下优化后的几何参数，从而提供轴承自身的回转精度。
      1、几何参数选取
      为研究轴承自身几何参数对轴承动力学特性的影响规律，在相同工况下分别选择三组数据对轴承结构上的沟曲率半径和保持架兜孔游隙进行对比分析。
      1.1、沟曲率半径
      通常，沟道的沟曲率半径略大于钢球的半径，曲率半径系数f为沟曲率半径与钢球直径的比值，一般在0.515~0.530之间。取钢球直径为3.37mm，设内圈沟曲率半径系数为fi，外圈沟曲率半径系数为fe，对三组不同的沟曲率半径进行对比分析：
      1）fi=0.51，fe=0.52；
      2）fi=0.51，fe=0.53；
      3）fi=0.52，fe=0.53.
      1.2、保持架兜孔游隙
      保持架兜孔游隙是钢球在保持架兜孔中的径向游动量，该游隙会引起保持架与钢球的撞击，从而产生振动和噪声。为了研究保持架兜孔游隙对轴承回转精度的影响规律，在相同的工况条件下，分别取三组不同的保持架兜孔游隙进行对比分析，即保持架兜孔游隙e分别取0.3、0.5和0.06.
      2、有限元模型的建立
      根据深沟球轴承所选取的不同几何参数，在ANSYS/LS-DYNA中建立各自的几何模型，单元类型选择SOLID64实体单元，属性设置为全积分单元。
      轴承在实际工作中，其受到的径向载荷方向大多是某个特定方向，仿真时，在轴承内圈增加一段刚性轴，在其中心线上施加某个固定方向的载荷便能有效模拟这种工况条件。由于该刚性轴的作用是为了辅助加载，因此为了减少软件的计算量，将其设置为刚体。
      在有限元模型中建立3种接触对，分别选择钢球与外圈沟道、钢球与内圈沟道和钢球与保持架。选择各自表面的节点作为节点组元。在接触中，分别设置钢球与内、外沟道的动摩擦系数为0.1，静摩擦系数为0.05，钢球与保持架的动摩擦系数为0.002，静摩擦系数为0.001.三种接触对均选择面面自动接触类型，避免穿透。在结果文件中输出的是各自的动态接触力。
      3、约束和求解
      在完成接触对设置和工况加载后，根据深沟球轴承的安装和工作条件，采用了如下约束：
     （1）为了模拟轴承座的影响，约束轴承外圈外圆面上所有节点在x、y和z三个方向的平动自由度和转动自由度；
     （2）为了模拟轴承的装配情况，分别约束轴承内圈和轴承外圈两端面所有节点的轴向自由度。
       求解时间与时间数组T一致，定义为0.1s，然后控制结果的输出参数，将结果输出类型选择为LS-DYNA，生产K文件，运用LS-DYNA求解器LS-DYNA Solver完成求解。
       4、特性分析
       4.1沟曲率半径对动力学特性的影响
       沟道的沟曲率半径是轴承结构上的一个重要几何参数，它对轴承性能的影响是多重的，如钢球与沟道的接触刚度、接触力和相对位移等。沟曲率半径的差别可以说明钢球和沟道之间的密接程度，选择合适的沟曲率半径可使轴承各方面的性能最大程度的满足特定工况条件下的使用要求。由于沟曲率半径直接影响钢球在沟道中的运动，因此选择对比分析钢球在运转过程中的速度变化。
       当轴承的内圈沟曲率保持不变，外圈沟曲率增加时，钢球上同一节点的速度变化较大。由于初始状态刚施加转速，钢球会出现不稳定的现象，随后会逐步稳定。但当沟曲率半径逐步增加时，钢球初始状态下出现的不稳定现象更加明显，且动荡更大，时间更长；当沟曲率半径系数增加到fi=0.52，fe=0.53时，钢球动荡加剧且没有趋于平稳的趋势。这种情况将严重影响轴承自身的回转精度，使钢球在运转过程中发生较大的振动冲击，从而加大轴承在运转过程中的振动噪声。通过对比分析可以得出，当fi=0.51，fe=0.52时，轴承有着相对较好的动力学特性，可以保证自身较好的回转精度。
       4.2、保持架兜孔游隙对动力学特性的影响
       兜孔游隙对保持架的振动有十分重要的影响。游隙过大，钢球在兜孔中的晃动便会加剧，从而导致振动和噪声的增大。但如果游隙过小，钢球和保持架之间的摩擦力便会明显加大，甚至有抱死的可能。由于兜孔游隙直接影响到钢球与保持架和沟道之间的碰撞与冲击，因此，选择对比分析钢球与保持架和沟道之间接触力的变化。
       由于保持架兜孔与钢球之间存在间隙，使得保持架与钢球在运转过程中产生碰撞冲击，保持架在冲击力的作用下进行公转。当兜孔游隙e=0.3时，钢球与内圈及保持架之间的接触力都比较平稳。合理的保持架兜孔游隙可以有效减小钢球与保持架的碰撞。适当缩小保持架兜孔游隙有利于减小轴承的振动，但兜孔游隙过小又会加大钢球与保持架之间的摩擦，从而严重影响轴承内部的受力分布。通过对比分析得出，当保持架兜孔游隙e=0.3时，深沟球轴承6203有较好的动力学特性，能有效保证轴承自身的回转精度。
       5、结论
       合理选择深沟球轴承的沟曲率半径和保持架的兜孔游隙，对提高轴承自身的回转精度和降低轴承在运转过程中的振动与噪声有着至关重要的作用。
 
       ----摘自2017年第1期《电机技术》，本网站在于信息的传递，若涉及版权或隐私等，请及时联系。