專利名稱：一種利用金屬材料的熱特性調(diào)節(jié)軸承預(yù)緊力的方法及裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種克服機(jī)床主軸在轉(zhuǎn)速上升過程中摩擦發(fā)熱產(chǎn)生溫度變化，引起軸承預(yù)緊力變化限制了機(jī)床轉(zhuǎn)速和損害的方法及裝置。
背景技術(shù)：
目前軸承和潤滑是影響機(jī)床主軸轉(zhuǎn)速范圍主要因素，機(jī)械式低速強(qiáng)力銑頭適合于大扭矩切削，通常采用預(yù)加載荷的角接觸滾動軸承，工作轉(zhuǎn)速范圍比較小。在使用接觸式軸承的主軸結(jié)構(gòu)中，主軸轉(zhuǎn)速越高，發(fā)熱越嚴(yán)重。主軸發(fā)熱和軸承預(yù)緊力有關(guān)。預(yù)緊力適當(dāng)時，對主軸軸承精度、剛度、壽命、阻尼和降低噪聲的作用比較明顯，隨著預(yù)緊力加大，摩擦增大，發(fā)熱增加，降低軸承使用壽命。軸承發(fā)熱的主要原因是由于轉(zhuǎn)速升高作用在軸承滾珠上的離心力和陀螺力矩增加而使摩擦加劇，同時溫度升高使軸承熱膨脹，增加了預(yù)緊力，使摩擦力矩增大。
對于機(jī)床成對使用的角接觸軸承，調(diào)節(jié)預(yù)緊力的方法是調(diào)節(jié)軸承內(nèi)外圈的相對軸向位置。自動調(diào)節(jié)的原理是將溫度變化作為調(diào)節(jié)控制量，采用機(jī)械方法推動軸承內(nèi)圈和外圈軸向產(chǎn)生相對微小位移，改變預(yù)緊力。目前已知的預(yù)緊力自調(diào)節(jié)方法有兩類，一類是基于測量反饋閉環(huán)控制方式的液壓預(yù)緊力自調(diào)節(jié)、壓電陶瓷預(yù)緊力自調(diào)節(jié)等方法；另一類是根據(jù)溫度的變化利用材料或介質(zhì)的熱特性進(jìn)行調(diào)節(jié)，如溫度敏感液體驅(qū)動調(diào)節(jié)和金屬材料熱伸長特性調(diào)節(jié)等方法。利用金屬材料的熱特性，調(diào)節(jié)軸承預(yù)緊力的方法結(jié)構(gòu)簡單，基本不改變主軸結(jié)構(gòu)。但是設(shè)計參數(shù)很難確定，因此應(yīng)用不多。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種利用金屬材料的熱特性調(diào)節(jié)軸承預(yù)緊力的方法及裝置，該方法能得到比較準(zhǔn)確的設(shè)計參數(shù)，為調(diào)節(jié)軸承預(yù)緊力的裝置提供設(shè)計參數(shù)，該方法和裝置簡單實(shí)用，基本不改變主軸結(jié)構(gòu)而有效調(diào)節(jié)軸承預(yù)緊力。
為此，本發(fā)明方法包括步驟如下(1)建立確定主軸發(fā)熱和溫升熱分析模型，對于軸對稱結(jié)構(gòu)的溫度分布采用圓柱坐標(biāo)系，確定邊界條件設(shè)定物體與外界接觸邊界上的溫度T0為已知，導(dǎo)熱系數(shù)為λ，設(shè)邊界外法線方向熱通量q0為已知，且T/n＝-q0/λ為常數(shù)，介質(zhì)與物體間的熱交換系數(shù)為a，則確定在邊界上的熱交換條件λ(T/n)＝a(T0-T)然后求得單元溫度剛性矩陣{kt}e和總溫度矩陣[T]，建立主軸有限元模型，模型單元由面旋轉(zhuǎn)成體，劃分網(wǎng)格建立的有限元模型計算方法；熱參數(shù)計算為，設(shè)軸承功率損耗P為主軸上熱流率P＝M1×(n×2×π/60)×10-3(W)
M1-軸承摩擦力矩，n-主軸轉(zhuǎn)速。
摩擦力矩M為M＝M0+M1N·mmM0-由潤滑劑引起的流體動力損耗，與潤滑劑粘度和潤滑劑的量及速度有關(guān)主軸導(dǎo)熱過程包括軸向和徑向?qū)幔x取導(dǎo)熱系數(shù)和對流換熱系數(shù)后可以進(jìn)行發(fā)熱量和溫度場求解，軸承功率損耗為發(fā)熱源，在軸承支承處按照熱流密度進(jìn)行加載，其余邊界按對流換熱邊界條件處理；(2)計算主軸前后軸承在不同轉(zhuǎn)速、不同預(yù)緊力狀態(tài)摩擦發(fā)熱和功率損耗；(3)確定軸承軸向變位和預(yù)緊力，關(guān)糸式為E＝KaFa2/3式中E——軸承內(nèi)、外圈軸向相對錯移量，即軸承的軸向變位；Fa——作用于軸承上的軸向預(yù)緊力；Ka——軸承的彈性變形系數(shù)，通過這種關(guān)系得到軸承預(yù)緊力和材料熱伸長量的計算數(shù)值；(4)根據(jù)上述計算的數(shù)據(jù)，選擇制作雙層隔套的兩種熱膨脹率相差大的材料，將主軸前端兩軸承間的隔套、或軸承與對應(yīng)的機(jī)架之間的隔套換為由兩種材料制作的長度不同的雙層隔套，兩種材料的熱膨脹率相差大，且熱膨脹率大的軸套常溫時軸向尺寸較小，在低溫時，熱膨脹率小的長套筒(1)頂住軸承內(nèi)圈，對軸承施加預(yù)緊載荷，隨著轉(zhuǎn)速增加，溫度升高，熱膨脹率大的短套筒(2)伸長后超出長套筒的長度，推動軸承內(nèi)圈產(chǎn)生一定變位，控制預(yù)緊載荷不會因發(fā)熱伸長而增大；(5)隔套熱膨脹的伸長量取決于套筒長度，確定套筒軸向尺寸，伸長量要滿足對軸承的變位量，根據(jù)前面介紹的發(fā)熱計算方法和結(jié)果，套筒長度計算如下確定套筒等長時溫度Td及軸承工作溫度范圍T0，通常，Td＜T0。
計算達(dá)到軸承允許工作溫度臨界值的最低轉(zhuǎn)速n1下溫度降至Tm時的預(yù)緊力FT，取Td＜Tm＜T0；計算熱膨脹率大的短套筒作用后軸承所受預(yù)緊載荷和所要求的軸承預(yù)緊變位量E。
設(shè)Ll和Lg分別為熱膨脹率較大的短套筒長度，al和ag為對應(yīng)熱膨脹系數(shù)，伸長量由下式計算E＝Llal(Tm-Tt)+Ll-Lgag(Tm-Tt)-LgLlal×(T-Tt)+Ll＝Lgag(T-Tt)+Lg式中Tm是在未改變預(yù)緊載荷時轉(zhuǎn)速為n1時的溫度，Tt是環(huán)境溫度，由聯(lián)立方程組可解出兩種材料套筒的設(shè)計長度Ll和Lg。
當(dāng)T＜Td，Lg＞Ll，由長套筒施加預(yù)緊載荷，當(dāng)T＞Td，Lg＜Ll，短套筒對軸承施加預(yù)緊載荷，當(dāng)T＞Td，Lg＜Ll，軸承內(nèi)外圈產(chǎn)生附加變位E，預(yù)緊載荷減小，軸承必須在最小預(yù)緊載荷Fq下才能正常工作，根據(jù)計算軸承處于最小預(yù)緊載荷時預(yù)緊載荷減小的最大量及對應(yīng)套筒的伸長量，可計算套筒所允許的最高工作溫度Tq。
一種利用金屬材料的熱特性調(diào)節(jié)軸承預(yù)緊力的裝置為隔套呈圓環(huán)形，隔套為雙層隔套，隔套由熱膨脹率大的短套筒和熱膨脹率小的長套筒套設(shè)而成，隔套位于主軸兩軸承之間，或軸承與對應(yīng)的機(jī)架之間。
熱膨脹率較小的長套筒套固在熱膨脹率較大的短套筒外，膨脹率小的長套筒長度大于膨脹率大的短套筒長度。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是該方法能得到比較準(zhǔn)確的設(shè)計參數(shù)，為調(diào)節(jié)軸承預(yù)緊力的裝置提供設(shè)計參數(shù)，該方法和裝置簡單實(shí)用，基本不改變主軸結(jié)構(gòu)而有效調(diào)節(jié)軸承預(yù)緊力。本發(fā)明幾乎在不改變機(jī)床結(jié)構(gòu)的情況下實(shí)現(xiàn)功能，其實(shí)用價值較大。實(shí)驗證明本發(fā)明能夠從原理較為容易地進(jìn)入實(shí)用。


圖1為本發(fā)明的裝置使用狀態(tài)示意2為本發(fā)明的劃分有限元的主軸微預(yù)緊狀態(tài)下2000r/min節(jié)點(diǎn)溫度分布示意3為各種預(yù)緊載荷下主軸溫度-轉(zhuǎn)速曲線4為各種轉(zhuǎn)速下主軸溫度-預(yù)緊力曲線5為鋁套和鋼套的受熱伸長量對比6為中預(yù)緊開始調(diào)節(jié)的溫度-轉(zhuǎn)速曲線7為從重預(yù)緊載荷開始調(diào)節(jié)的溫度-轉(zhuǎn)速曲線8為用油霧潤滑后套筒設(shè)計及調(diào)節(jié)計算曲線9為本發(fā)明的裝置結(jié)構(gòu)示意圖具體實(shí)施方案如圖1至圖9所示，軸承發(fā)熱的主要原因是由于轉(zhuǎn)速升高作用在軸承滾珠上的離心力和陀螺力矩增加而使摩擦加劇，同時溫度升高使軸承熱膨脹，增加了預(yù)緊力，使摩擦力矩增大。
軸承預(yù)緊力自動調(diào)節(jié)的第一步是確定主軸發(fā)熱和溫升計算方法。
(1)建立確定主軸發(fā)熱和溫升熱分析模型，對于軸對稱結(jié)構(gòu)的溫度分布采用圓柱坐標(biāo)系，確定邊界條件建立熱分析模型引起主軸溫升的主要因素是滾動軸承的摩擦力矩及主軸的導(dǎo)熱、散熱條件等。主軸上有3個7018C，2個7016C軸承。建立有限元模型進(jìn)行主軸熱分析，主要是確定模型的網(wǎng)格劃分和計算導(dǎo)熱系數(shù)、熱流率及對流換熱系數(shù)等參數(shù)。
主軸軸承發(fā)熱屬于漸變溫度場，開始具有明顯的不定態(tài)特征，但隨時間的推移，最終可轉(zhuǎn)化為穩(wěn)態(tài)傳熱過程。主軸及軸承在有限元法分析中，對于軸對稱結(jié)構(gòu)的溫度分布采用圓柱坐標(biāo)系，確定邊界條件設(shè)定物體與外界接觸邊界上的溫度T0為已知；導(dǎo)熱系數(shù)為λ，設(shè)邊界外法線方向熱通量q0為已知，且T/n＝-q0/λ為常數(shù)，介質(zhì)與物體間的熱交換系數(shù)為a，則確定在邊界上的熱交換條件
λ(T/n)＝a(T0-T)(1)然后求得單元溫度剛性矩陣{kg}e和總溫度矩陣[T]。建立主軸有限元模型，模型單元由面旋轉(zhuǎn)成體，劃分網(wǎng)格建立的有限元模型如圖2所示。
熱參數(shù)計算軸承的熱量產(chǎn)生及熱傳導(dǎo)過程比較復(fù)雜，需做一些簡化。設(shè)軸承轉(zhuǎn)動時產(chǎn)生的熱量主要來自于軸承的滾動摩擦。忽略其它比較小的摩擦影響，例如接觸區(qū)域內(nèi)的差動滑動和旋轉(zhuǎn)滑動，保持架與引導(dǎo)套圈間的滑動，潤滑劑的粘性摩擦等。
設(shè)軸承功率損耗P為主軸上熱流率P＝M1×(n×2×π/60)×10-3(W) (2)M1-軸承摩擦力矩，n-主軸轉(zhuǎn)速。
摩擦力矩M為M＝M0+M1N·mm (3)M0--由潤滑劑引起的流體動力損耗，與潤滑劑粘度和潤滑劑的量及速度有關(guān)。
主軸導(dǎo)熱過程包括軸向和徑向?qū)?。選取導(dǎo)熱系數(shù)和對流換熱系數(shù)后可以進(jìn)行發(fā)熱量和溫度場求解。
軸承功率損耗為發(fā)熱源，在軸承支承處按照熱流密度進(jìn)行加載。其余邊界按對流換熱邊界條件處理。計算主軸前后軸承在不同轉(zhuǎn)速、不同預(yù)緊力狀態(tài)摩擦發(fā)熱和功率損耗。
2000r/min微預(yù)緊下主軸溫度分布如圖2所示，在各種轉(zhuǎn)速下的功率損耗和熱流率以及溫升見表1。同樣方法，可以計算出主軸軸承在微、輕、中、重預(yù)緊載荷作用下主軸的溫度分布、功率損耗。
表1軸承微預(yù)緊各轉(zhuǎn)速下功率損耗和溫度分布

同樣方法計算可以得到各種預(yù)緊載荷作用下，在主軸前軸承處溫度-轉(zhuǎn)速曲線和各轉(zhuǎn)速下溫度-預(yù)緊載荷幾組曲線如圖3，圖4所示。
由曲線可知，主軸溫升和預(yù)緊載荷和轉(zhuǎn)速有關(guān)。減小預(yù)緊力可降低主軸溫度，調(diào)節(jié)預(yù)緊力能夠改善主軸在一定轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)溫度分布。
改變潤滑方式可以改善摩擦發(fā)熱，在不同的潤滑條件下可計算得到各種結(jié)果，用油霧潤滑改變摩擦系數(shù)在微預(yù)緊下狀態(tài)下計算結(jié)果如下表2軸承在微預(yù)緊下功率損耗及溫度分布

表中計算結(jié)果表明，在主軸相同位置，和普通油脂潤滑相比，采用油霧潤滑發(fā)熱減少，溫度降低。角接觸球軸承軸向變位與載荷關(guān)系計算在機(jī)床主軸結(jié)構(gòu)中，為了保證剛度通常采用定位預(yù)緊。軸承軸向變位和預(yù)緊力具有確定的關(guān)系E＝KaFa2/3(4)式中E——軸承內(nèi)、外圈軸向相對錯移量，即軸承的軸向變位，mm；Fa——作用于軸承上的軸向預(yù)緊力，N；Ka——軸承的彈性變形系數(shù)。對角接觸球軸承，因?qū)嶋H接觸角是隨軸向負(fù)荷而變化的，所以不是常數(shù)。通過這種關(guān)系得到軸承預(yù)緊力和材料熱伸長量的計算數(shù)值。
如圖1和圖9所示，一種利用金屬材料的熱特性調(diào)節(jié)軸承預(yù)緊力的裝置為隔套呈圓環(huán)形，隔套為雙層隔套，隔套由熱膨脹率大的短套筒2和熱膨脹率小的長套筒1套設(shè)而成，隔套位于主軸3兩軸承之間，或軸承與對應(yīng)的機(jī)架之間。隔套厚度與軸承內(nèi)圈厚度基本相同，并同設(shè)在主軸上，熱膨脹率較小的長套筒套固在熱膨脹率較大的短套筒外，膨脹率小的長套筒長度大于膨脹率大的短套筒長度。
在成對使用的角接觸球軸承結(jié)構(gòu)中，將主軸3前端兩軸承間的隔套換為由兩種材料制作的長度不同的雙層隔套。兩種材料的熱膨脹率相差較大，且熱膨脹率大的軸套常溫時軸向尺寸較小。在低溫時，長套筒1頂住軸承內(nèi)圈，對軸承施加預(yù)緊載荷。隨著轉(zhuǎn)速增加，溫度升高，熱膨脹率較大的短套筒2伸長后超出長套筒1的長度，推動軸承內(nèi)圈產(chǎn)生一定變位，控制預(yù)緊載荷不會因發(fā)熱伸長而增大。例如，熱膨脹系數(shù)小的長套筒選用鋼材料，位于隔套外層，內(nèi)層選用熱膨脹系數(shù)大的鋁合金作為短套筒。
兩種套筒材料的熱膨脹率選擇要合適，在溫度上升范圍內(nèi)伸長接近或等于需要減小預(yù)緊力的軸承變位量。也不能過大，導(dǎo)致預(yù)緊載荷低于最小預(yù)緊量。根據(jù)結(jié)構(gòu)要求，軸向尺寸不宜太大。鋼和鋁合金是比較合適的選擇。鋁合金的熱膨脹系數(shù)是鋼的2倍，基本能滿足上述伸長量的要求。為增加鋁合金套內(nèi)孔的表面硬度和耐磨性，可在內(nèi)孔鍍鎳。
熱膨脹的伸長量取決于套筒長度，主要問題是確定套筒軸向尺寸，伸長量要求滿足對軸承的變位量，達(dá)到調(diào)節(jié)預(yù)緊力的目的。
根據(jù)前面介紹的發(fā)熱計算方法和結(jié)果，套筒長度計算如下1)確定套筒等長時溫度Td及軸承工作溫度范圍T0，通常，Td＜T0。
2)計算達(dá)到軸承允許工作溫度臨界值的最低轉(zhuǎn)速n1下溫度降至Tm時的預(yù)緊力FT。取Td＜Tm＜T0；計算鋁合金套筒作用后軸承所受預(yù)緊載荷和所要求的軸承預(yù)緊變位量E。
3)設(shè)Ll和Lg分別為鋁和鋼套長度，al和ag為對應(yīng)熱膨脹系數(shù)。伸長量由下式計算E＝Llal(Tm-Tt)+Ll-Lgag(Tm-Tt)-Lg(5)Llal×(T-Tt)+Ll＝Lgag(T-Tt)+Lg(6)式中Tm是在未改變預(yù)緊載荷時轉(zhuǎn)速為n1時的溫度。Tt是環(huán)境溫度。由聯(lián)立方程組可解出兩種材料套筒的設(shè)計長度Ll和Lg。
當(dāng)T＜Td，Lg＞Ll，由鋼套施加預(yù)緊載荷。當(dāng)T＞Td，Lg＜Ll，鋁套對軸承施加預(yù)緊載荷。
當(dāng)T＞Td，Lg＜Ll，軸承內(nèi)外圈產(chǎn)生附加變位E，預(yù)緊載荷減小。
由于軸承必須在最小預(yù)緊載荷Fq下才能正常工作，根據(jù)計算軸承處于最小預(yù)緊載荷時預(yù)緊載荷減小的最大量及對應(yīng)套筒的伸長量，可計算套筒所允許的最高工作溫度Tq。
本發(fā)明仿真計算結(jié)果如下1)如圖6所示，從中預(yù)緊開始調(diào)節(jié)的計算的套筒尺寸和軸承預(yù)緊力自動調(diào)節(jié)仿真結(jié)果表3 套筒計算尺寸

表4 仿真計算結(jié)果

2)如圖7所示，從重預(yù)緊開始調(diào)節(jié)的計算的套筒尺寸和軸承預(yù)緊力自動調(diào)節(jié)仿真結(jié)果表5 套筒計算尺寸

表6 加入調(diào)節(jié)后仿真計算結(jié)果

3)如圖8所示，用油霧潤滑后套筒設(shè)計及調(diào)節(jié)結(jié)果改變潤滑可以改變發(fā)熱情況，采用油霧潤滑做了仿真計算。
潤滑油粘度V＝6，初始預(yù)緊力為輕預(yù)緊，計算結(jié)果見表7，表8。調(diào)節(jié)后主軸溫度變化曲線如圖8所示。
表7 套筒尺寸

表8 仿真計算結(jié)果

由以上分析計算及圖表可見，采用這種結(jié)構(gòu)可以在一定轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)對軸承及主軸工作環(huán)境改善。中預(yù)緊在1000～2800r/min的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)的主軸溫度分布明顯改善，使軸承工作溫度從超過100℃降到50～60℃，重預(yù)緊在1300r/min以下效果好。改變潤滑，油霧潤滑可使轉(zhuǎn)速達(dá)到4000r/min依然有效果。計算結(jié)果說明，在各種預(yù)緊和潤滑情況下均能夠在一定速度范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)軸承預(yù)緊力自動調(diào)節(jié)。
總之，本發(fā)明能得到比較準(zhǔn)確的設(shè)計參數(shù)，為調(diào)節(jié)軸承預(yù)緊力的裝置提供設(shè)計參數(shù)，該方法和裝置簡單實(shí)用，基本不改變主軸結(jié)構(gòu)而有效調(diào)節(jié)軸承預(yù)緊力。本發(fā)明幾乎在不改變機(jī)床結(jié)構(gòu)的情況下實(shí)現(xiàn)功能，其實(shí)用價值較大。
權(quán)利要求
1.一種利用金屬材料的熱特性調(diào)節(jié)軸承預(yù)緊力的方法，其特征在于包括步驟如下(1)建立確定主軸發(fā)熱和溫升熱分析模型，對于軸對稱結(jié)構(gòu)的溫度分布采用圓柱坐標(biāo)系，確定邊界條件設(shè)定物體與外界接觸邊界上的溫度T0為已知，導(dǎo)熱系數(shù)為λ，設(shè)邊界外法線方向熱通量q0為已知，且T/n|τ＝-q0/λ為常數(shù)，介質(zhì)與物體間的熱交換系數(shù)為a，則確定在邊界上的熱交換條件λ(T/n)＝a(T0-T)然后求得單元溫度剛性矩陣{kt}e和總溫度矩陣[T]，建立主軸有限元模型，模型單元由面旋轉(zhuǎn)成體，劃分網(wǎng)格建立的有限元模型計算方法；熱參數(shù)計算為，設(shè)軸承功率損耗P為主軸上熱流率P＝M1×(n×2×π/60)×10-3(W)M1-軸承摩擦力矩，n-主軸轉(zhuǎn)速。摩擦力矩M為M＝M0+M1N·mmM0-由潤滑劑引起的流體動力損耗，與潤滑劑粘度和潤滑劑的量及速度有關(guān)主軸導(dǎo)熱過程包括軸向和徑向?qū)?，選取導(dǎo)熱系數(shù)和對流換熱系數(shù)后可以進(jìn)行發(fā)熱量和溫度場求解，軸承功率損耗為發(fā)熱源，在軸承支承處按照熱流密度進(jìn)行加載，其余邊界按對流換熱邊界條件處理；(2)計算主軸前后軸承在不同轉(zhuǎn)速、不同預(yù)緊力狀態(tài)摩擦發(fā)熱和功率損耗；(3)確定軸承軸向變位和預(yù)緊力，關(guān)糸式為E＝KaFa2/3式中E--軸承內(nèi)、外圈軸向相對錯移量，即軸承的軸向變位；Fa--作用于軸承上的軸向預(yù)緊力；Ka--軸承的彈性變形系數(shù)，通過這種關(guān)系得到軸承預(yù)緊力和材料熱伸長量的計算數(shù)值；(4)根據(jù)上述計算的數(shù)據(jù)，選擇制作雙層隔套的兩種熱膨脹率相差大的材料，將主軸前端兩軸承間的隔套、或軸承與對應(yīng)的機(jī)架之間的隔套換為由兩種材料制作的長度不同的雙層隔套，兩種材料的熱膨脹率相差大，且熱膨脹率大的軸套常溫時軸向尺寸較小，在低溫時，熱膨脹率小的長套筒(1)頂住軸承內(nèi)圈，對軸承施加預(yù)緊載荷，隨著轉(zhuǎn)速增加，溫度升高，熱膨脹率大的短套筒(2)伸長后超出長套筒的長度，推動軸承內(nèi)圈產(chǎn)生一定變位，控制預(yù)緊載荷不會因發(fā)熱伸長而增大；(5)隔套熱膨脹的伸長量取決于套筒長度，確定套筒軸向尺寸，伸長量要滿足對軸承的變位量，根據(jù)前面介紹的發(fā)熱計算方法和結(jié)果，套筒長度計算如下確定套筒等長時溫度Td及軸承工作溫度范圍T0，通常，Td＜T0。計算達(dá)到軸承允許工作溫度臨界值的最低轉(zhuǎn)速n1下溫度降至Tm時的預(yù)緊力FT，取Td＜Tm＜T0；計算熱膨脹率大的短套筒作用后軸承所受預(yù)緊載荷和所要求的軸承預(yù)緊變位量E。設(shè)L1和Lg分別為熱膨脹率較大的短套筒長度，a1和ag為對應(yīng)熱膨脹系數(shù)，伸長量由下式計算E＝L1a1(Tm-Tt)+L1-Lgag(Tm-Tt)-LgL1a1×(T-Tt)+L1＝Lgag(T-Tt)+Lg式中Tm是在未改變預(yù)緊載荷時轉(zhuǎn)速為n1時的溫度，Tt是環(huán)境溫度，由聯(lián)立方程組可解出兩種材料套筒的設(shè)計長度L1和Lg。當(dāng)T＜Td，Lg＞L1，由長套筒施加預(yù)緊載荷，當(dāng)T＞Td，Lg＜L1，短套筒對軸承施加預(yù)緊載荷，當(dāng)T＞Td，Lg＜L1，軸承內(nèi)外圈產(chǎn)生附加變位E，預(yù)緊載荷減小，軸承必須在最小預(yù)緊載荷Fq下才能正常工作，根據(jù)計算軸承處于最小預(yù)緊載荷時預(yù)緊載荷減小的最大量及對應(yīng)套筒的伸長量，可計算套筒所允許的最高工作溫度Tq。
2.一種利用金屬材料的熱特性調(diào)節(jié)軸承預(yù)緊力的裝置，其特征在于隔套呈圓環(huán)形，隔套為雙層隔套，隔套由熱膨脹率大的短套筒和熱膨脹率小的長套筒套設(shè)而成，隔套位于主軸兩軸承之間，或軸承與對應(yīng)的機(jī)架之間。
3.按權(quán)利要求1所述的一種利用金屬材料的熱特性調(diào)節(jié)軸承預(yù)緊力的裝置，其特征在于熱膨脹率較小的長套筒套固在熱膨脹率較大的短套筒外，膨脹率小的長套筒長度大于膨脹率大的短套筒長度。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種利用金屬材料的熱特性調(diào)節(jié)軸承預(yù)緊力的方法及裝置，方法包括建立確定主軸發(fā)熱和溫升熱分析模型，對于軸對稱結(jié)構(gòu)的溫度分布采用圓柱坐標(biāo)系，確定邊界條件；計算主軸前后軸承在不同轉(zhuǎn)速、不同預(yù)緊力狀態(tài)摩擦發(fā)熱和功率損耗；確定軸承軸向變位和預(yù)緊力關(guān)系；根據(jù)上述計算的數(shù)據(jù)，選擇制作雙層隔套的兩種熱膨脹率相差大的材料，將主軸前端兩軸承間的隔套、或軸承與對應(yīng)的機(jī)架之間的隔套換為由兩種材料制作的長度不同的雙層隔套；隔套熱膨脹的伸長量取決于套筒長度，確定套筒軸向尺寸，伸長量要滿足對軸承的變位量。本發(fā)明能得到比較準(zhǔn)確的設(shè)計參數(shù)，為調(diào)節(jié)軸承預(yù)緊力的裝置提供設(shè)計參數(shù)，該方法和裝置簡單實(shí)用，基本不改變主軸結(jié)構(gòu)而有效調(diào)節(jié)軸承預(yù)緊力。
文檔編號B23C9/00GK1948775SQ20061011452
公開日2007年4月18日 申請日期2006年11月14日 優(yōu)先權(quán)日2006年11月14日
發(fā)明者楊慶東, 王科社, 孟玲霞 申請人:北京機(jī)械工業(yè)學(xué)院