滚动轴承的非均匀分布预紧作用机理及调控策略研究

滚动轴承预紧技术作为轴承温升、刚度等服役性能的重要调控手段，已经引起业内和学术界的高度关注。本申请拟突破传统均匀分布预紧力的概念，探索滚动轴承非均匀分布预紧作用机理及调控策略，研究分析非均匀分布预紧力作用下滚动轴承的发热机理，并借鉴复杂网络理论，构造滚动轴承热传递网络模型，揭示非均匀分布预紧力与轴承组件热变形的非线性耦合规律；研究非均匀分布预紧力对轴承静态、动态刚度的影响规律，分析研究高、低速工况下非均匀分布预紧力与轴承刚度之间的本构关系；在此基础上利用小世界优化的符号回归法，构建非均匀分布预紧力与轴承热、刚度特性的本构模型，研究最佳非均匀分布预紧力的优化计算方法和调控策略，为非均匀分布预紧力的在线调控提供必要保障。项目研究解决了复杂工况下滚动轴承性能调控的关键问题，为滚动轴承服役性能的调控提供了理论基础和使能技术支撑,在高速、精密加工领域将具有重要的意义和广泛的应用前景。

滚动轴承的预紧对高速主轴的温升、刚度等服役性能有着重要的影响。由于轴承隔圈的平面度尺寸误差、主轴装配轴向平行度误差、主轴运行时所受负载及发热不均匀性等因素，引起轴承内外圈不同轴并使各球处于非均匀的载荷状态。因此，传统的均匀预紧方式就可能难以满足主轴系统温升和旋转精度的要求。本课题在传统均匀预紧方式的基础上，提出了一种既考虑预紧力大小又考虑预紧力分布的非均匀预紧方式，探索了滚动轴承在非均匀预紧作用下的特性。首先结合赫兹弹性接触理论和滚动轴承几何学，建立了非均匀预紧下的滚动轴承五自由度拟静力学模型，基于该模型计算了非均匀预紧下轴承内部载荷以及球的接触参数。其次，对滚动轴承的发热机理进行研究。建立了非均匀预紧下轴承的生热模型，分别计算均匀预紧方式和非均匀预紧方式下轴承的发热、分布及其接触状态。计算结果表明，和均匀预紧相比，合理的非均匀预紧更能有效地改善轴承接触状态，从而降低轴承的生热并减小轴承局部生热过大的现象。再次，对非均匀预紧下轴承的刚度特性进行了研究。研究非均匀分布预紧力与轴承各向主刚度之间的内在关系，仿真结果表明，轴承轴向主刚度主要是由轴向预紧力决定的，随着轴向预紧合力的增大呈现明显的递增趋势，转速及等效弯矩对其影响很小；轴承径向刚度主要由径向载荷决定，预紧等效弯矩及轴向合力只对其起到很小的影响，且同等预紧条件下转速升高，轴承径向刚度减小。最后，搭建了一种非均匀分布预紧力主轴试验台，建立了非均匀预紧力的等效转化模型，进行了非均匀预紧调控策略的研究。通过实验研究了在不同工况下非均匀分布预紧力对轴承及主轴的温升、振动及主轴回转精度的影响规律，为最佳预紧力的确定提供了实验数据。实验结果表明在主轴静态时，改变非均匀分布预紧力可使主轴轴端径向位移发生变化；在主轴动态时，改变在预紧力大小及作用方向，主轴的回转轨迹及回转中心都将发生变化。同时动态和静态结果都表明当预紧力处于非均匀分布时，主轴的性能将与均匀预紧状态下的有较大差异。可见本文研究对主轴性能检测、滚动轴承预紧力的作用机理具有一定的参考意义。