一种精密机床主轴轴承的瞬态动力学分析方法技术

本发明专利技术提供了一种精密机床主轴轴承的瞬态动力学分析方法，首先采用三维建模软件建立全尺寸轴承三维几何模型，然后进行有限元模型建立；其次进行静力学分析求出最大接触应力后与Hertz理论进行对比，完善有限元模型的建立和网格的划分；最后施加不同的载荷及边界条件并设置求解项，进行瞬态分析求解。采用本发明专利技术方法能够分析精密机床主轴轴承在不同工况下的各个参数，是进一步研究轴承运动过程中受力、变形、损伤等内在机理的基础，同时可以进一步实现故障轴承运动过程的仿真和参数分析，为轴承故障特征提取提供数据。

A method of transient dynamic analysis for spindle bearing of precision machine tool

【技术实现步骤摘要】
一种精密机床主轴轴承的瞬态动力学分析方法
本专利技术涉及轴承设计方法领域，具体涉及一种精密机床主轴轴承的瞬态动力学分析方法。
技术介绍
作为机床主轴支撑部件的机床主轴轴承，在承受轴向和径向载荷的同时，还需要保证在高速状态下轴承的旋转精度不发生大的变化，因而分析机床主轴轴承的结构参数对精度的影响是机床主轴轴承精度研究的重点。传统的通过做实验研究机床主轴轴承各参数对精度的影响成本高，反馈周期长，学者们提出了很多利用有限元分析的研究方法，但都是基于有限元的轴承分析方法大多是使用显示动力学得到的，而这种分析方法不能很好地分析轴承在随着时间变化的动载荷作用下的动态响应过程。
技术实现思路
本专利技术提出一种精密机床主轴轴承的瞬态动力学分析方法，其在ANSYSWorkbench中使用瞬态动力学分析模块对机床主轴轴承进行动态接触分析，可以研究轴承在工作转动下的应力和速度分布状况，分析不同工况下载荷对轴承各元件接触应力的影响规律，可以为轴承的优化设计提供支撑。本专利技术解决上述问题的技术方案是：一种精密机床主轴轴承的瞬态动力学分析方法，其特殊之处在于，包括以下步骤：1)对轴承的轴承外圈、轴承内圈、保持架、滚子等进行几何建模并进行装配；2)对模型进行网格划分，对轴承内、外圈和滚子均使用扫略法进行网格划分；3)对轴承进行边界条件的设定，三个接触对均设置为摩擦接触；4)进行静力学分析；5)对轴承施加载荷；6)利用瞬态动力学进行结果分析。进一步地，上述步骤1)中，几何建模所用软件为在SolidWorks。进一步地，上述步骤2)中，对保持架使用自由网格化分时，网格尺寸设置为1.5mm。进一步地，上述步骤4)中，进行静力学分析时，将最大接触应力结果和Hertz接触理论进行对比，确保误差在5％以内。进一步地，上述步骤5)中，对轴承施加载荷时，先施加随时间变化的径向载荷，待载荷稳定后施加匀速上升的转速，最终达到稳定加载状态。进一步地，上述步骤6)中，瞬态动力学分析主要考虑精密机床主轴轴承运转过程中的惯性力和阻尼力，只分析某一时刻轴承的各个参数，最后应用到整个时间历程中，得到轴承的整体变化规律。瞬态动力学的基本运动方程与通用运动方程相同，即：其中[M]表示的是质量矩阵，表示的是节点加速度向量，[C]表示的是阻尼矩阵，表示的是节点速度向量，[K]表示的是刚度矩阵，{F(t)}表示的力矢量。在任意给定时刻，该方程可视为一系列考虑了惯性力和阻尼力的静力学平衡方程。本专利技术的优点：本专利技术提出一种精密机床主轴轴承的瞬态动力学分析方法，能够分析精密机床主轴轴承在不同工况下的各个参数，是进一步研究轴承运动过程中受力、变形、损伤等内在机理的基础，同时可以进一步实现故障轴承运动过程的仿真和参数分析，为轴承故障特征提取提供数据。附图说明图1是本专利技术方法的流程示意图；图2是划分网格之后的精密机床主轴轴承的有限元模型；图3是静力学仿真分析的最大接触应力分析；图4是瞬态动力学中的施加载荷和旋转速度；图5是瞬态动力学分析结果。具体实施方式为使本专利技术实施方式的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本专利技术实施方式中的附图，对本专利技术实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式是本专利技术一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本专利技术中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本专利技术保护的范围。因此，以下对在附图中提供的本专利技术的实施方式的详细描述并非旨在限制要求保护的本专利技术的范围，而是仅仅表示本专利技术的选定实施方式。参见图1，一种精密机床主轴轴承的瞬态动力学分析方法，包括以下步骤：1)在SolidWorks中对精密机床主轴轴承的轴承外圈、轴承内圈、保持架、滚子等进行几何建模并进行装配，对滚道外圆角、滚子的圆角等局部细小特征进行简化，最终保存为bearing.stp格式。2)将bearing.stp导入ANSYSworkbench中，根据实例进行材料定义，本例中内圈、外圈和滚动体的材料均为轴承钢GCr15，保持架材料为冷轧钢，在材料库中建立两种新材料，重点设置密度、泊松比以及弹性模量。进行网格划分，对轴承内、外圈和滚子均使用扫略法进行网格划分，网格尺寸设置为1mm，对保持架使用自由网格化分并设置较大网格尺寸，网格尺寸设置为1.5mm，划分网格后的有限元模型如图2所示。3)对精密机床主轴轴承进行边界条件的设定，角接触球轴承瞬态动力学分析需要设置三个接触对，均设置为摩擦接触，滚子与内、外滚道的动摩擦系数取0.15，滚子与保持架的动摩擦系数取0.05，对轴承外圈外圆周面添加固定约束，限制各个方向分量上的位移和约束，对轴承内圈施加径向载荷。4)进行静力学分析，将最大接触应力结果和Hertz接触理论进行对比，确保误差在5％以内，静力学分析结果如图3所示，由于受到径向载荷的作用，最大等效应力发生在径向载荷作用线下方的滚动体和内滚道接触位置。5)为模拟轴承的旋转，通过施加转动副载荷来实现轴承内圈的旋转运动，本实例中设置转速为3000r/min，设置程序求解时间为0.15s，采用分步法施加载荷，在第一载荷子步中施加随时间变化的径向载荷，并在0.04s施加完毕，当径向载荷稳定以后，在第二个载荷子步中施加匀速上升的转速，使得轴承在0.06s时达到稳定加载状态，如图4所示。步骤6：瞬态动力学结果如图5所示，当滚动体运转稳定后，应力主要分布于滚动体和内外圈接触的区域，切接触区域类似于一长方形椭圆，此时最大应力发生在轴承与内圈接触的长方形椭圆中心，然后对工况进行相应的改变，改变旋转速度以及载荷，分析轴承的接触应力以及速度，是进一步研究轴承运动过程中受力、变形、损伤等内在机理的基础，同时可以进一步实现故障轴承运动过程的仿真和参数分析，为轴承故障特征提取提供数据。以上所述仅为本专利技术的实施例，并非以此限制本专利技术的保护范围，凡是利用本专利技术说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的系统领域，均同理包括在本专利技术的保护范围内。本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种精密机床主轴轴承的瞬态动力学分析方法，其特殊之处在于，包括以下步骤：/n1)对轴承的轴承外圈、轴承内圈、保持架、滚子进行几何建模并进行装配；/n2)对模型进行网格划分，对轴承内、外圈和滚子均使用扫略法进行网格划分；/n3)对轴承进行边界条件的设定，三个接触对均设置为摩擦接触；/n4)进行静力学分析；/n5)对轴承施加载荷；/n6)利用瞬态动力学进行结果分析。/n

【技术特征摘要】
1.一种精密机床主轴轴承的瞬态动力学分析方法，其特殊之处在于，包括以下步骤：
1)对轴承的轴承外圈、轴承内圈、保持架、滚子进行几何建模并进行装配；
2)对模型进行网格划分，对轴承内、外圈和滚子均使用扫略法进行网格划分；
3)对轴承进行边界条件的设定，三个接触对均设置为摩擦接触；
4)进行静力学分析；
5)对轴承施加载荷；
6)利用瞬态动力学进行结果分析。


2.根据权利要求1所述的一种精密机床主轴轴承的瞬态动力学分析方法，其特殊之处在于：
步骤1)中：几何建模所用软件为在SolidWorks。


3.根据权利要求2所述的一种精密机床主轴轴承的瞬态动力学分析方法，其特殊之处在于：
步骤2)中，对保持架使用自由网格化分时，网格尺寸设置...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘学平，王哲，李玙乾，
申请(专利权)人：清华大学深圳国际研究生院，
类型：发明
国别省市：广东;44