基于解析法的轴系统热特性分析方法、热误差建模方法和热误差补偿系统技术方案

本发明专利技术公开了一种基于解析法的轴系统热特性分析方法，包括如下步骤：1)创建轴系统的瞬态热特性模型；2)根据轴系统的初始运行条件和与温度相关的变量的初始值，计算得到轴承的热负荷强度、轴系统中所有温度节点的接触热阻和润滑剂的对流传热系数的初始值；3)利用轴系统的瞬态热特性模型对轴系统进行瞬态热分析；4)比较相邻两个迭代子步骤中的滚动元件的温度，满足收敛条件，则进入步骤5)，不满足收敛条件，则进入步骤6)；5)结束分析；6)通过轴系统温度场更新接触热阻、对流传热系数和与温度相关的变量；7)循环步骤3)和步骤4)，直至满足收敛条件。本发明专利技术还提出了一种轴系统热误差建模方法和热误差补偿方法。

Thermal characteristic analysis method, thermal error modeling method and thermal error compensation system of shaft system based on analytical method

【技术实现步骤摘要】
基于解析法的轴系统热特性分析方法、热误差建模方法和热误差补偿系统
本专利技术属于热特性分析
，具体的为一种基于解析法的轴系统热特性分析方法、热误差建模方法和热误差补偿系统。
技术介绍
轴系统包括轴和分别位于轴两端的轴承、轴承箱和轴承套圈等。目前轴承和润滑是影响轴转速范围主要因素，在使用接触式轴承的轴结构中，轴转速越高，发热越严重。轴发热与轴承预紧力有关。预紧力适当时，对轴轴承精度、刚度、寿命、阻尼和降低噪声的作用比较明显，随着预紧力加大，摩擦增大，发热增加，降低轴承使用寿命。轴承发热的主要原因是由于转速升高作用在轴承滚珠上的离心力和陀螺力矩增加而使摩擦加剧，同时温度升高使轴承热膨胀，增加了预紧力，使摩擦力矩增大。公开号为CN1948775的中国专利申请公开了一种利用金属材料的热特性调节轴承预紧力的方法及装置，该方法能得到比较准确的设计参数，为调节轴承预紧力的装置提供设计参数，但无法得到轴系统的热特性。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术的目的在于提供一种基于解析法的轴系统热特性分析方法、热误差建模方法和本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于解析法的轴系统热特性分析方法，其特征在于：包括如下步骤：/n1)根据热平衡原理，建立轴系统的滚动元件的热平衡方程，并由热平衡方程创建轴系统的瞬态热特性模型；/n2)根据轴系统的初始运行条件和与温度相关的变量的初始值，计算得到轴承的热负荷强度的初始值、轴系统中所有温度节点的接触热阻的初始值和润滑剂的对流传热系数的初始值；/n3)利用轴系统的瞬态热特性模型对轴系统进行瞬态热分析；/n4)比较相邻两个迭代子步骤中的滚动元件的温度，若满足收敛条件，则进入步骤5)；若不满足收敛条件，则进入步骤6)，所述收敛条件为：/nT

【技术特征摘要】
1.一种基于解析法的轴系统热特性分析方法，其特征在于：包括如下步骤：
1)根据热平衡原理，建立轴系统的滚动元件的热平衡方程，并由热平衡方程创建轴系统的瞬态热特性模型；
2)根据轴系统的初始运行条件和与温度相关的变量的初始值，计算得到轴承的热负荷强度的初始值、轴系统中所有温度节点的接触热阻的初始值和润滑剂的对流传热系数的初始值；
3)利用轴系统的瞬态热特性模型对轴系统进行瞬态热分析；
4)比较相邻两个迭代子步骤中的滚动元件的温度，若满足收敛条件，则进入步骤5)；若不满足收敛条件，则进入步骤6)，所述收敛条件为：
Tn-Tn-1＜1×10-6
其中，Tn和Tn-1分别为相邻两个迭代子步骤的滚动元件的温度；
5)结束分析，保存轴系统中所有温度节点的温度；
6)更新接触热阻、对流传热系数和与温度相关的变量；
7)循环步骤3)和步骤4)，直至满足收敛条件。


2.根据权利要求1所述的基于解析法的轴系统热特性分析方法，其特征在于：所述轴系统的滚动元件包括轴承的滚珠、内圈和外圈。


3.根据权利要求2所述的基于解析法的轴系统热特性分析方法，其特征在于：
所述滚珠的热平衡方程为：



其中，Tb表示每个滚珠的温度；Cb表示滚珠的比热容；mb表示每个滚珠的质量；N表示滚珠的数量；Qbf为滚珠的热量；Qbc为滚动体与润滑剂之间的对流传热热量；Qib为内圈与滚珠之间的接触传热热量；Qbo为外圈与滚珠之间的接触传热热量；
所述内圈的热平衡方程为：



其中，Ti表示内圈的温度；ci表示内圈的比热容；mi表示内圈的质量；Qif为内圈的热量；Qib为内圈与滚珠之间的接触传热热量；Qic为内圈与润滑剂之间的对流传热热量；Qis为内圈与轴之间的接触传热热量；
所述外圈的热平衡方程为：



其中，Coh表示外圈的比热容；Toh(r,t)表示外圈的温度；t表示时间；r表示径向位置；Qof为外圈的热量；Qbo为外圈与滚珠之间的接触传热热量；Qhc为轴承座与润滑剂之间的对流传热热量；Qoc为外圈与润滑剂之间的对流传热热量；Qoh为外圈与轴承座之间的接触传热热量；Moh为外圈的质量。


4.根据权利要求3所述的基于解析法的轴系统热特性分析方法，其特征在于：所述步骤1)中，由热平衡方程创建轴系统的瞬态热特性模型的方法为：
为了获得温度的瞬态变化过程，将时间离散为
tk+1＝tk+Δtk
其中，Δtk表示时间增量；
则tk+1时刻此时的温度为：



其中，和分别表示tk和tk+1时刻的温度。


5.根据权利要求1所述的基于解析法的轴系统热特性分析方法，其特征在于：所述步骤2)中的计算方法如下：
内圈与滚珠之间的接触传热热量为：
Qib＝(Ti-Tb)/Rib
其中，Rib表示内圈与滚珠之间的接触热阻；Ti为内圈的温度；Tb为滚珠的温度；
外圈与滚珠之间的接触传热热量为：
Qbo＝(Tb-To)/Rbo
其中，Rbo表示外圈与滚珠之间的接触热阻；Tb为滚珠的温度；To为外圈的温度；
内圈与轴之间的接触传热热量为：
Qis＝(Ti-Ts)/Ris
其中，Ris表示轴颈与内圈之间的接触热阻；Ti为内圈的温度；Ts为轴颈的温度；
外圈与轴承座之间的接触传热热量为：
Qoh＝(To-Th∞)/Roh
其中，Roh表示外圈与轴承座接口之间的接触热阻；To外圈的温度；Th∞为轴承座接口的温度；
滚珠和润滑剂之间的对流传热热量为：
Qbc＝hc·Ab·(Tb-Tl)
外圈与润滑剂之间的对流传热热量为：
Qoc＝hc·Ao·(To-Tl)
轴承座与空气之间的对流传热热量为：
Qhc＝h∞·Ah·(Th-T∞)
内圈与润滑剂之间的对流传热热量为：
Qic＝hc·Ai·(Ti-Tl)
其中，hc为润滑剂的对流传热系数；h∞为空气的对流传热系数；Tl为润滑剂的温度；T∞为环境温度；Ab为滚珠与润滑剂之间的接触面积；Ao为外圈与润滑剂之间的接触面积；Ah为轴承座与空气之间的接触面积；Ai为内圈与润滑剂之间的接触面积。


6.根据权利要求1所述的基于解析法的轴系统热特性分析方法，其特征在于：与温度相关的变量包括轴承尺寸、轴承预紧力和润滑剂粘度。

【专利技术属性】
技术研发人员：马驰，刘佳兰，易力力，王时龙，
申请(专利权)人：重庆大学，
类型：发明
国别省市：重庆;50