滚动轴承结合部热-力耦合特性分析与建模研究

Rolling bearing is the important part of the spindle of machine tools. The performance of bearings influences the accuracy of simulation result for whole machine tools when using Computer Aided Design (CAD) methods. To improve the accuracy of simulation, a thermo-mechanical model of angular contact ball bearing joint is proposed in this project. There are mainly two parts in the bearing joint. One is the contact between rollers and raceways, and another is interfaces between shaft and outer ring, housing and inner ring. For the first part, we focus on the relationship between loads and displacements of multiple rows ball bearing. According to the distribution of loads on rollers, the heat generation together with heat transfer of bearings is analyzed. And the heat transfer in a rolling-sliding contact is mainly considered in this work. For the second part, the distribution of loads on the interfaces is analyzed by a modified method based on Greenwood and Williamson model when the shaft is subjected to combined loads. And the stiffness together with thermal deformation is studied according to the distribution of loads. Combining the above two parts, a thermo-mechanical model of bearing is proposed to study how the configuration, interference, preload and speed, influence the performance of the ball bearing joint. The result of this research can provide a theoretical basis for digital design of the precision CNC machine tools.

在机床产品数字化开发与设计中，滚动轴承作为支撑主轴旋转的关键部件，其力、热及其耦合特性对整机性能分析有至关重要的影响。本项目以角接触球轴承为研究对象，将轴承结合部分为两部分：1)滚动体与滚道接触部分，2)内圈/轴和外圈/轴承座接触部分。针对滚动体接触部分，重点研究多列安装轴承滚珠/滚道间接触变形-载荷关系。根据滚动体载荷分布特点，计算轴承摩擦生热特性，研究滚动-滑动接触区热传导特性，以分析结合部热传导特点。针对内外圈接触部分，采用改进的粗糙表面接触理论，着重研究过盈装配的圆柱形内外表面在承受外载荷时载荷分布特点，计算表面接触刚度、接触热阻，分析其刚度和热传导特性。综合上述两部分接触关系，建立整个轴承结合部的“热-力”耦合分析模型，以探索配置方式、装配过盈量、预紧力和转速等对结合部动、热及热-结构耦合特性的影响，为精密数控机床数字化设计与开发提供理论依据。

在精密机床设计研发过程中，轴承结合部特性起着关键的作用。根据轴承结合部的特点，先将结合部分为两个部分作独立的分析：环形接触面和滚动体接触面。在研究平面接触面的基础上了，分析了环形接触面的特点。根据粗糙表面的形貌数据，建立了表面特征参数提取的方法，并研究了采样对特征参数和接触模型的影响，分析结果表明：采样间隔对表面特征参数影响显著，且对不同接触模型影响程度不同，其中具有弹塑性过渡的接触模型对采样间隔具有较强的稳定性。基于粗糙表面接触理论建立了“载荷-变形-热传导”的耦合分析模型；基于Jones-Harris模型，综合考虑转速、安装、配置方式等因素，用坐标变换的方法建立了多列安装的球轴承“载荷-变形”关系，分析表明：除转速与预紧之外，轴承的刚度（尤其是角刚度）受安装方式的影响显著。根据载荷特点分析了轴承发热特性和滚动体接触部位的热传导特性；联合环形结合面模型、轴承发热模型和热传导特性建立了滚动轴承“热-结构”耦合整体分析模型，研究了精密数控机床的有限元建模方法，特别是结构中的结合面建模方法，并应用于整机静刚度分析和热-结构耦合分析，计算结果表明：接触面特性对整机的静、动和热特性均有不同程度的影响；研制了一套轴承“热-结构”特性耦合测试系统，该测试系统可以监测轴承在运转过程中的温度和热变形的变化。设计了温度场、热变形和刚度测试实验，以验证所提出的理论模型。结果表明：本项目建立的理论分析模型具有较好的精度，能满足工程设研发的需求。