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高速旋转机械的滚动轴承支承技术


高速旋转机械

滚动轴承支承技术
上海大学机自学院 轴承研究室
2009.3
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教 师 介 绍 :
姓名: 姓名: 李松生 工作单位: 工作单位: 上海大学轴承研究室 职称: 职称: 副教授 地址: 机器人中心4 428室 地址: 机器人中心4楼428室 通讯地址: 延长路149号224信箱 通讯地址: 延长路149号224信箱 : 200072 : 021-56331417 021: 021-56331417 021箱: 箱: 03810020@shu.edu.cn
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课程提纲:
? 高速旋转机械的基本特征 ? 高速旋转机械对滚动轴承支承系统的
要求 ? 高速滚动轴承的结构特征 ? 高速滚动轴承的动态性能分析 ? 高速滚动轴承的应用及其润滑技术 ? 结束语
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高速旋转机械的基本特征
目前,随着各种工程技术的发展,旋转机械正 在向更高转速、更高性能方向发展,转速动辄每分 钟数万转,甚至每分钟十万转以上,更有每分钟高 达数十万转的超高转速电主轴。高速旋转机械的主 要特征: 转速很高、转子表面的线速度很高 旋转精度很高 具有相应的承载能力 能够实现高速运行的稳定性 能够达到较长的寿命 能够完成特定的输出功能
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高速旋转机械

对滚动轴承支承系统的基本要求
相对其它轴承,滚动轴承是接触支承,由于各 接触零件之间的运动是滚动,所以具有摩擦力小、 精度高的特点,并且具有标准化的产品供选择,使 用和维修方便,因此在高速旋转机械中得到了广泛 应用: 应用:
高速性:能够达到很高的转速 精密性:保持良好的回转精度 高刚度:高速时具有高的支承刚度和较大的承载能力 稳定性:保持高速运行条件下的动态稳定性 小摩擦:减小损耗和发热、改善运行条件 小振动:减小动载荷、提高整机精度 长寿命:在高速条件下达到较长寿命
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高速滚动轴承的结构特征
结构类型:主要为球轴承 尺寸特点:以轻系列轴承为主 结构特点:单列滚动体结构 精度特点:精度高(指尺寸、回转、振动、 噪声等方面的综合精度) 安装特点:施加预载荷,消除游隙、产生预 变形 使用特点:可多只轴承组合配置使用,实现 对转子的支承要求 6

轴承的主要特征参数
1)轴承的类型:主要决定轴承结构参数,例如 轴承系列、接触角、内径等; 2)精度水平:主要指有关尺寸、振动、噪声等 )精度水平:主要指有关尺寸、振动、噪声等 方面的综合精度,如P5、P4级精度等; 方面的综合精度,如P5、P4级精度等; 3)轴承的使用:与实际使用相关的参数,例如 组合配置方式、润滑形式、预载荷水平等; 4)轴承的性能:决定轴承运行过程中的基本性 能,如极限转速、速度参数D 能,如极限转速、速度参数Dmn 值(mm.r/min)、支 (mm.r/min)、支 承刚度、热性能、寿命等。
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为提高速度 性能和支承 精度,一般 为角接触球 轴承,由于 精度高、多 作为高速旋 转机械主轴 的支承,故 又称精密主 轴轴承

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? 轴承的组合配置:为了达到一定的支承刚度和承载
能力要求,可以将多只轴承按一定方式进行组合使 用,并且以弹簧施加轴向预载荷

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? 轴承的高速性能:
滚动轴承一般以 轴承的速度参数D 轴承的速度参数Dmn (mm.r/min)值作为衡量 (mm.r/min)值作为衡量 轴承高速性能的指标 之一:

Dm

(D + d ) n n=
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这里,n 这里,n为转速。
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高速滚动轴承的动态性能分析
动态性能主要包括轴承内部的动力学、摩擦学方 面的性能以及支承刚度、寿命等方面的使用性能: 动力学性能分析:以轴承为分析对象,建立相应的动 动力学性能分析:以轴承为分析对象,建立相应的动 力学分析模型,对轴承内部球滚动体、保持器等零件 的运动和受力进行分析 摩擦学性能分析:根据摩擦学和润滑方面的相关理论, 摩擦学性能分析:根据摩擦学和润滑方面的相关理论, 建立相应的分析模型,对球滚动体与内外套圈滚道之 间的润滑状态进行分析 支承刚度分析:在动力学、摩擦学分析的基础上,根 支承刚度分析:在动力学、摩擦学分析的基础上,根 据刚度的定义,对高速情况下轴承的支承刚度进行分 析 寿命分析:根据轴承内部受力,建立相应的寿命分析 寿命分析:根据轴承内部受力,建立相应的寿命分析 模型,对高速时轴承的寿命进行分析 11

? 动态性能分析

分析模型主要有拟动力学模型和动力学模型, 工程应用以前者应用较多。
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轴 承 结 构 参 数

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轴承的受力

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轴承内部的运动

V A = π DA ? N i = π F ? N i VB = π DB ? N e = π E ? N e F = ( DPW ? DW cos α ) E = ( DPW + DW cos α ) VA = π ( DPW ? DW cos α ) ? N i VB = π ( DPW + DW cos α ) ? N e
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轴承中的坐标

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球 滚 动 体 的 运 动

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球 滚 动 体 受 力

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轴承中的位移

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球 在 套 圈 滚 道 上 的 实 际 接 触 角
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球的离心力

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球 的 陀 螺 力 矩

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球在套圈 滚道上的 接触载荷

球在套 圈滚道上 的接触应 力
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球在套圈滚道上的接触变形

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? 支承刚度(径向)分析

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? 寿命(疲劳)分析

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? 摩擦学性能分析
油膜压力

油膜厚度

油膜温度
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摩 擦 学 性 能 分 析

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摩 擦 学 性 能 分 析

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高速滚动轴承的应用 及其润滑技术
现代装备、航空航天、能源交通、信息 技术、化工材料等工程领域。
各种现代数控机床主轴 各种高速离心机驱动主轴 各种高速试验机主轴 小型发电机、高速电机主轴
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高 速 汽 车

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航空发动机
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机器人

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立式加工中心
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立式数控铣床

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计算机硬盘
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五坐标加工中心

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轴承实验机

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高速离心机
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高速轴承的润滑技术
高速轴承的润滑条件分析
满足轴承的高速运转要求 满足主轴对轴承承受较大载荷的要求 满足轴承较高温度的条件 满足能耗小、低发热量的要求 具有相应的冷却轴承的作用 具有相应的热稳定性和电化学稳定性 润滑油的输送应易进入轴承内部
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高速轴承的润滑技术
? 油脂润滑:适应转速相对较低,但应用简
单方便 ——适合Dmn值1.2x106mm.r/min的轴承。 适合D mm.r/min的轴承。 ? 定时微量供应脂润滑:无污染,适应速度 相对较高
mm.r/min的轴承。 ——适合D ——适合Dmn值1.5x106mm.r/min的轴承。

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高速轴承的润滑技术
? 油雾润滑:适应转速高、润滑效果好,但
对环境有污染
——适合D ——适合Dmn值1.8x106mm.r/min的轴承。 mm.r/min的轴承。

? 油气润滑:适应转速高、润滑效果好、发
热量小,较油雾润滑污染大大减小
——适合D ——适合Dmn值2.0x106mm.r/min以上的轴承。 mm.r/min以上的轴承。

? 浴油润滑:高速性能较好,但损耗大、密
封复杂
——适合D ——适合Dmn值2.5x106mm.r/min以上的轴承。 mm.r/min以上的轴承。
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轴承润滑时供油量对轴承温升的影响

b油气润滑;b-c油雾润滑;c-d浴油润滑 油气润滑;b 油雾润滑;c

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油气的原理:

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油气的特点:

供油量精确可调,可以实现最佳供油量和最佳 润滑状态 润滑油高速搅动发热很小 空气进行冷却、清洁轴承内部,轴承温升低、 寿命长,润滑可靠 润滑油雾化率很小,利于环保 可靠性好

油在输送管道内的运动

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润滑方式对轴承润滑状态的影响
油雾润滑和油气润滑时电主轴轴承的工作温度如 图所示。

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结束语
随着各种工程技术的发展,旋转机械正在向更 高转速、更高性能方向发展,为满足其支承系统的 要求,高速滚动轴承及其润滑技术也在不断发展和 进步中: 更高转速:陶瓷球材料、小球密珠型结构 更高精度:P4级轴承已经普遍采用,P2以上 更高精度:P4级轴承已经普遍采用,P2以上 精度轴承的应用也越来越多 新型润滑脂、新型润滑技术 高性能、高强度保持器 新的热处理工艺 新型高性能材料
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谢谢大家!
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