机床主轴轴承保持架动力学的研究及其发展现状.pdf

2 0 1 2年 1 月 第4 0卷 第 1 期 机床与液压 MACHI NE T 00L ＆ HYDRAUL I C S J a n ． 2 0 1 2 Vo 1 ． 4 0 No ． 1 D OI 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 13 8 8 1 ． 2 0 1 2 ． 0 1 ． 0 4 1 机床主轴轴承保持架动力学的研究及其发展现状 单宝峰 ，王斌 ，李景春 ，孙磊 ，王海强 1 ．沈阳航 空航天大学机 电工程学院，辽宁沈阳 l 1 0 1 3 6 ； 2 ．中国北车天津机辆轨道交通装备有限责任公司，天津 3 0 0 2 3 2 摘要 从力学模型和试验研究两个方面对国内外 滚动轴 承保持架 动力学 的研 究现状 和各 阶段 的主要 成果进行 了综述 。 国外学者认为保持架的设计参数尤其是保持架与滚动体间的工作间隙与摩擦力对滚动轴承保持架的动力稳定性有很大的影 响。国内的研究水平较之国外还存在着一定的差距，必须建立自己的滚动轴承及保持架分析软件 ，以实现轴承保持架设计 的参数化。针对滚动轴承保持架的动力学提出了今后需要研究的若干问题，并指出了滚动轴承保持架的设计和研究方向。 关键词滚动轴承保持架；动力学；力学模型；试验研究 中图分类号T H1 3 3 ． 3 3 文献标识码A 文章编号1 0 0 1 3 8 8 1 2 0 1 2 1 1 5 0 4 Dy na mi c s St u dy o n Ca g e o f Be a r i ng f o r M a c hi ne To o l Sp i nd l e a n d I t s De v e l o pme n t a l St a t us S HAN B a o f e n g ，WA NG B i n ，L I J i n g c h u n ，S UN L e i ，WANG Ha i q i a n g 1 ． I n s t i t u t e o f Me c h a n i c a l E n g i n e e r i n g ，S h e n y a n g A e r o s p a c e U n i v e r s i t y ，S h e n y a n g L i a o n i n g 1 1 0 1 3 6 ，C h i n a ； 2 ． C N R T i a n j i n J L R a i l w a y T r a n s p o r t E q u i p me n t C o ． ，L t d ． ，T i a n j i n 3 0 0 2 3 2 ，C h i n a Ab s t r a c t T h e d y n a mi c s s t u d y s t a t u s o f t h e c a g e o f r o l l i n g b e a ti n g s a n d ma i n a c h i e v e me n t o f e a c h s t a g e we r e r e v i e w e d w i t h r e s p e c t t o me c h a n i c a l mo d e l a n d e x p e r i me n t a l i n v e s t i g a t i o n ． F o r e i g n s c h o l a r s b e l i e v e t h a t t h e d e s i g n p a r a me t e r s o f t h e c a g e ， e s p e c i a l l y t h e f r i c t i o n a nd t he wo r k g a p b e t we e n t he c a g e a n d r o l l i n g ha v e a g r e a t i mpa c t o n t h e d y n a mi c s t a bi l i t y o f r o l l i n g b e a tin g s ． Th e r e i s a d i s t a nc e b e t we e n d o me s t i c s t u dy l e v e l a nd a b r o a d． I n o r de r t o de s i g n t h e c a g e o f be a r i n g by pa r a me t e r ， Our o wn a n a l y s i s s o f t wa r e o f t he r o l l i ng b e a r i ng s a n d t h e c a g e o f t h e r o l l i n g be a r i n g s mu s t be bu i l t ． A n umb e r o f i s s ue s wh i c h we r e n e e d e d t o s t u d y i n t h e f u t u r e w e r e p r e s e n t e d f o r t h e d y n a mi c s o f t h e c a g e o f r o l l i n g b e a r i n g s ． T h e d e s i g n a n d r e s e a r c h t r e n d o f t h e c a g e we r e p o i n t e d o u t ． Ke y w o r d s C a g e o f r o l l i n g b e a r i n g ；D y n a m i c s ；Me c h a n i c a l m o d e l ；E x p e r i m e n t a l i n v e s t i g a t i o n 滚动轴承是用 于确定机床旋转轴与其他零件的相 对运动位置 ，在机床 中起支 承或导 向作用 的零部件 ， 其性能 的好坏直接影响机床主轴 的动力学特性 。而作 为轴承内部的主要部件之一的保持架对整个轴承的稳 定性有着重要的影响。目前，很多机床主轴的报废是 由于其 中的滚 动轴 承 的声音 过高 或有 异常 声而 造成 的，而保持架的磨 损断裂 正是引起轴承噪声的主要原 因之一 。因此 ，要解决轴 承的噪声 问题 ，就必须研究 轴承保持架 的动力学特性 。作者在国内外滚动轴承保 持架研 究的现有基础之上 ，着力加强滚动轴承保持架 设计 的准确性 ，将理论研究与试验相结合 ，从 动力学 角度 出发 ，对与此相关成果进行 了综述 ，并进一步提 出今后亟待研究解决的问题。 1 滚动轴承保持架的动力学模型 1 ． 1 力学模 型及研 究现 状 滚动轴承 的动力学研 究始 于拟静力学方法 ，是 国 外学者 J O N E S 于 1 9 5 9年创 建 的 ，他 运用 库仑摩 擦 定律对角接触球轴承进行了轴向动力学研究 ，并建立 了用于球轴承拟静力学分析 的力学模型 ，为其后滚 动 轴承拟静力学 、动力学分析 方法 的建立奠 定 了基 础。 C T WA L T E R S 于 1 9 7 1 年创建 了球轴 承动力学 分析 模 型 ，其模 型 的创 新 之处是 使保 持 架具 有 6个 自由 度 ，代替 了以往 的 3自由度模 型 ，使其对保持架运动 规律的研究更为准确。1 9 7 8年 J W K A N N E L等 对 于弹流润滑区的球轴承 的保持架进行 了深入分析 ，认 为保持架的运动稳定性是由球与保持架问的摩擦程 度 、轴承润滑剂的黏度和球与引导套圈问润滑状态的 变化决定的。1 9 7 9年以后，P K G U P T A 将轴承的动 力学分析方法进行 了大力 的推广 ，再 次建立 了球的 6 自由度运动模型，并运用基于微分方程组的数值方法 对轴承 的动态性能进行 了研究 ，首次系统地研究了滚 动轴承动力学 的随时间变化的性 能问题 。但是 由于该 收稿 日期 2 0 1 01 2 2 2 作者简介单宝峰 1 9 6 3 一 ，男，教授，研究生导师，从事现代机械技术及 C A D方面的研究。通信作者王斌，E ma i l s t ud e n t wa n g b i n 1 6 3． e o m。 第 1 期 单宝峰 等机床主轴轴承保持架动力学的研究及其发展现状 1 5 1 模 型对 力的计 算模 型的条件处理得过于简单 ，所 以模 型的计 算 结 果 会 有 一 定 的误 差 。随 后 ，P K G U P T A 等以滚子轴承和球轴承的保持架作为实例研 究了非平衡状态下保持架的运动规律，并将此数值与 以往 的数据进 行了 比较 ，得出 了由内圈引导 的保持架 设计 比外圈引导的保持架设计更为合理的观点，并计 算出球轴承和滚子轴承在静态 载荷 、非平衡 载荷 与径 向载荷联合作用下的保持架磨损量与保持架出现涡动 旋转时 的数据 。他们提 出 ，今后对滚 动轴承的研究应 从轴承 的动力学 性 能角 度来 考 虑滚 动 轴承 的参 数 设 计 。但是其模 型计算量 较大 ，所以在实际运用 中极为 不便 。所 以后来C R M E E K S 对 G u p t a 模型 的运行条 件进行 了进一步 的简化处理 ，建立 了保持 架的 6自由 度动力学模型，其 目的是对保持架的设计参数进行优 化处理 以改善保持架 的动力 稳定性 。 近些年来 ，国外关 于轴 承保持 架的动力学分析软 件层 出不 穷。如 1 9 9 2年 ，B O E S I G E R等针对球轴承 的保 持架 开 发 了动 力 学计 算 软 件 P A D R E ；1 9 9 6年 ， M e e k s 等 在前人 计算方法的基础上 ，运用变换 坐标 系的方法去研究轴承保持架 的动力学规律 ，并将 得到 的规律与 以前得 出的结果进行 了对 比 ，证 实了该 方法 的准确性 与可靠性 ，用 N e w t o n R a p h s o n数值方法计算 了滚动轴承的滚动体与保持架之间的接触作用力及载 荷 ；1 9 9 7年 ，H A R A MA K I 为 了满 足市 场需求 ，开 发了轴承动力学分析软件 B R A I N，并 以球轴承为例 进行 了动力 学 研究 ，得 出 了令 人满 意 的结 果 。2 0 0 1 年 L E S T A C K E等 开发 的三维模拟软件 B E A S T ， 具有分 析保持架的 自身运动规律 、 自动计算其所受作 用力及滚子歪斜条件下的滚动体摩阻力的计算等新型 功能 。但是在该软件 中采用经验和半经验公式 去模拟 摩擦与 阻尼 ，所 以模拟结果 与实 际结果相 比会出现一 些偏差 。2 0 0 4年 ，F S A D E G H I 等学 者 经 过对轴 承 实际运转情况的研究后，针对圆柱滚子轴承保持架建 立了相应的动力学模型并开发了分析软件 ，通过对轴 承保持架 的引导 间隙与兜孔 间隙的间隙比 、保持 架的 对称性等条件的研究，分析了保持架运动的稳定性 ， 但是其模型具有局 限性 ，只适用 于固体润 滑的轴承 。 起初 ，我 国学者对滚动 轴承动力学的研究仅局限 于静力 学与拟静力学阶段 ，发展极为缓慢 。但随着 国 内外轴承先进技术交流的增多，我国学者对轴承动力 学的研究有了进一步的认识，对轴承保持架动力学的 研究也不断增多。1 9 9 7年，陈国定等 在考虑了滚 子与保持架之间的间隙后建立了保持架的分析模型； 并开发了滚子轴承运动特性的动态模拟软件，从而计 算出了各个滚子的 自转转速和公转转速及保持架转 速，且对滚子和保持架的打滑进行了详细的分析 ，并 将其计算结果与 国外科学家 G u p t a的同类文献进行 了 比较 ，得到了较为一致的结果 ，验证了其模拟软件的 准确性。2 0 0 1 年 ，周延泽、赖拥军等 运用振动 理论 ，对滚动轴承保持架的内外环平面的弯曲振动与 扭转振动 、在周向上的弯曲与扭转振动发生的耦合及 保持架两端的端面相对转动等现象进行了分析 ，并考 虑 了弹性流体动力润滑 ，提出 了高速球轴承保持架 的 振动响应模 型，建立 了保持架的动力学方程。2 0 0 3 年 ，刘文 秀等 在 轴承保 持架 与滚 动体 相互作 用力 的研究中，首次引入了碰撞，使研究的结果与实际情 况更为贴近。认为滚动体与保持架的相互作用力不是 单一 的作 用力 ，而是 由三部分碰撞作用力组成的。这 三部分碰撞作用力分别是滚动体与保持架的兜孑 L 在接 触后引起 的变形作用力 、滚动体与保 持架 的兜孔之 间 的流体摩擦所产生的作用力及保持架与轴承的公转角 速度不一致所产生的碰撞作用力。他们认为对保持架 的运动稳定性起决定性作用的是轴承保持架的引导间 隙和保持架的兜孔间隙，并研究了轴承的结构参数对 保持架运动稳定性的影啊 。2 0 0 7年，杜辉等人 利用滚动轴承摩擦学 、弹性流体力学 、润 滑理论 以及 轴承动力学等理论 ，对高速圆柱滚子轴承零件的相互 作用力的动态特性进行了瞬态动力学解析，但是解析 中没有考虑滚子在高速状态下可能出现的歪斜和倾斜 情 况。随后 ，张 志华 、邓 四二等 在 动力 学 和拟 动力学的基础上，用数值方法分别对高速圆柱滚子轴 承和角接触球轴承进行 了动力学研究 ，得出了影 响保 持架动态特性的因素有 轴承转速、工作载荷 、引导 间隙和兜 孑 L 间隙 以及 轴承 腔 内油气 比。2 0 1 0年 ，张 晓鸥等 利用有限元软件对球轴承保持架运转特性 进行了仿真及分析，得出了套圈与保持架的间隙及保 持架兜孔间隙存在一定的比例关系，共同影响保持架 运转 的稳定性 。 1 ． 2今 后 仍 需研 究的 问题 1 国内关于滚动轴承保持架多 自由度动力学 的研 究尚不充分 ，缺乏较 为完善 的保持架六 自由度模 型 。 2 在滚动体与保持架的接触作用力的研究中， 在 瞬态作用力 的碰撞模 型中应考虑摩擦力 的作用 ，以 建立更为准确的力学模型。 3 运用有限元法分析保持架的载荷分布时， 可利用有限元分析软件进一步考虑润滑、温度、陀螺 效应和电磁力等因素的影响，建立更为全面的有限元 分析模 型 。 4 对于处于混合润滑状态下的轴承滚动体与 保持架的作用力计算结果与实际工况还存在差距，需 要更为准确的计算模型 。 1 5 2 机床与液压 第 4 0卷 2 滚动轴承保持架动力学的试验研究 2 ． 1 试 验 的研 究方法及 发展现 状 外 国学者在 2 0 0 0年通过试 验 的手段用 应变仪 测 量 了球轴承 保持架 径 向上所 受 的作 用力 ，提 出 了 在滚动体偏斜的条件下，滚动体与保持架之间的接触 作用力足以使保持架 与引导套 圈间发生胶合而导致失 效 。E P K i n g s b u r y 早期用实验的手 段以球轴承为例 对工程 中出现的轴 承保持架涡动进行 了研究 ，得出了 球轴承 的摩擦作用力与作 用力矩 的产生机理 ，并认为 滚动体出现的自身旋转现象是由保持架决定的，而在 接触区域出现滑移现象则是由内圈决定的。随后 ，R J B o n e s s 等 通过试验 测得 了推力 轴承 的运动规律 ， 并把试验结果和弹流摩擦阻力的系数公式进行了对比 校验，得出了较为准确的结果。D S c o t t 等 运用四 球机做了以碳纤维、M o S ， 和P T F E混合而成为材料的 保持架 的加速试 验 ，然后运 用 S E M 分析 了其 组织 结 构 。P K G o k s e m等 运用激光 技术对滚 子轴承进 行 了测试 ，并得到了圆柱滚子轴承内部的滚动体和保持 架的转速。随着人们环境保护意识的加强，降低轴承 噪声成 了轴 承研 究 的新 内容 。 日本学 者多 田诚 二通 过对轴承噪声的多次试验 ，认为保持架 的噪声主要 是由保持架的振动 、保持架与滚动体的碰撞 、保持 架与滚动体的摩擦三方面因素引起的。P G H o c h 运用试验 的方法对径 向方 向上 受加 速载 荷 的轴承 保 持架 的材 料进行 了研 究 ，并认 为对 于滚 子轴 承而 言 塑料保 持架 比金属保 持架更 为可靠 。1 9 9 5年 ，我 国 学者张鹏顺 等 运用 阻容振荡法 测 出了高 速 的滚 动 轴承全 膜和部分膜 的厚度及其 对保持架 的影响 。 近年来 ，诸多学者又对保持架参数的测试技术 进行 了研 究 ，其 中 H P r a s h a d 在 测 试 保 持架 与 滚 动体的滑移程度时 ，采用了高频共振的方法 ，解释 了保 持架和滚 动体产生 滑移的原 因。H P r a s h a d认为 主要可以归因于轴承径向间隙、自身转速、有无载 荷 和温度等几 方面 ，而 对影 响轴 承温 度变 化 的有效 参数进一步确定的是 A O S H I 等 ，将 1 9 9 7年的试 验方 法加 以完 善 ，运用 振荡 器和 无线 传递 的技 术对 滚 动轴 承 保 持 架 的温 度 进 行 了测 量 ，分 析 结 果 表 明在轴承的润滑 、元件转速与载荷等参数发生变 化时 ，滚动轴承保持架的温度变化 比外圈快。2 0 0 4 年 ，B D a m i e n s 等 通 过试 验 对 润滑 状 态及 润 滑剂 中的微颗粒对轴承性能影响进行了研究 ，得出保持 架与滚动体之间的工作 间隙对供油与弹流膜厚度的 影响较 大的结论 ，认 为保 持架 的结 构在很 大 程度 上 改变了轴承乏油润滑的出现 ，从而对滚动轴承的润 滑效果 是有利 的。 2 ． 2今后 仍 需研 究的 问题 1 轴 承保持 架材 料处 于 自润 滑条 件下 时 的摩 擦 阻尼 因数误差较大 ，需要在 实际的摩擦接触条件下 进行试验 。 2 对于滚动轴承保持架的转移膜特性及材料的 选 取需要作进一步研究 ，尤其对复合材料的保持架在 轴承 中的应用需作进一 步的试验 。 3结束 语 1 通过对 滚动 轴承保 持架 进行 力学模 型 研究 和试验研 究之后 ，国外学者认为轴承引导问隙与兜孔 间隙 的问隙 比及保持架 在运转 过程 中出现 的旋转不对 称现象是导致轴承保持架运转不稳定的决定因素。 2 国外研 究人 员为 了改 善滚动 轴承 保持 架 的 动力稳定性，对轴承保持架的设计参数进行了优化处 理 ，并认为保持架与滚 动体 间的间隙与摩擦力对保持 架与滚动体间的碰撞产生较大的影响。 3 保 持架 与滚 动体 、内外 圈 的接触 范 围 内的 摩擦力 因数随润滑条件 、温度 、陀螺效应和 电磁力等 参数 的变化 ，仍需进一步的研究确定 。 4 国内对滚 动轴 承保持 架 的研究 需 以 国内外 现有 的轴承设计数据为参考 ，建立 自主知识产权 的较 为完善的轴承及保持架的动力学分析软件，以实现轴 承产品的参 数化制造 。 5 国内外学 者需 对轴 承保持 架做 更 为精确 的 动力学设计 与研究 ，以消除因轴承噪声和异 常声所导 致的机床主轴报废情况 的出现 。 参考文献 【 1 】J O N E S ． B a l l M o t i o n a n d S l i d i n g F ri c t i o n i n B a l l B e a ti n g s [ J ] ． J o u r n a l o f B a s i c E n g ， 1 9 5 9 ， 8 1 11 2 ． 【 2 】 WA L T E R S C T ． T h e D y n a m i c s o f B a l l B e a ti n g s [ J ] ． J o u r n a l o f Lu b T e c h， 1 9 71， 9 3 11 0． 【 3 】K A N N E L J W， B U P A R A S S ． A S i m p l i fi e d Mo d e l o f C a g e Mo t i o n i n An g ul a r Co nt a c t Be a tin g s Op e r a t i o n i n t h e EHD L u b r i c a t i o n R e g i m e [ J ] ． J o u r n a l o f L u b T e c h ， 1 9 7 8 ， 1 0 0 3 9540 3． 【 4 】G U P T A P K ． A d v a n c e d D y n a m i c s o f R o l l i n g E l e m e n t s [ M] ． Ne w Yo r k Sp ring e r Ve r l a g， 1 9 8 4． 【 5 】G U P T A P K ． C a g e U n b a l a n c e a n d We a r i n B a l l B e a r i n g s [ J ] ． We a r ， 1 9 9 1 ， 1 4 7 1 9 31 0 4 ． 【 6 】 G U F F A P K ． C a g e U n b a l a n c e a n d We a r i n R o l l e r B e a r i n g s [ J ] ． We a r ， 1 9 9 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o t i o n i n T h r u s t L o a d e d B a l l B e a ti n g [ J ] ． We a r ， 1 9 7 5 ， 3 5 1 3 1 1 4 8 ． 【 2 4 】 S C O T T D ， B L A C K WE L L J ， M C C U L L A G E P J ， e t a 1 ． C o m p o s i t e Ma t e ri a l s f o r R o l l i n g B e a ri n g C a g e s [ J ] ． We a r ， 1 9 7 0， 1 5 25 72 6 9． 【 2 5 】 G O K S E M P G ， F L E T C H E R E J ， H A R G R E A V E S R A ． Me a s u r e me n t o f Ro l l e r S p e e d i n a C y l i n d ri c a l Ro l l e r B e a r i n g U s i n g a L a s e r A n e m o m e t e r [ J ] ． J o u r n a l o f L u b T e c h o f Lu b Te c h， 1 97 8， 1 0 0 48 6491 ． 【 2 6 】H O C H P G ． T h e I n fl u e n c e o f R a d i a l A c c e l e r a t i o n s o n P l a s t i c s C a g e s i n R o l l i n g B e a ri n g [ J ] ． B a l l B e a r i n g J o u rna l o f Lub Te c h， 1 9 8 6， 22 8 61 2． 【 2 7 】张鹏顺， 陆思聪． 弹性流体动力润滑及其应用[ M] ． 北 京 高等教育出版社， 1 9 9 5 ． 【 2 8 】 P R A S H A D H ． T h e E f f e c t o f C a g e a n d R o l l e r S l i p o n t h e Me a s u r e d De f e c t F r e q u e n c y Re s p o n s e o f Ro l l i n g e l e me n t B e a ri n g [ J ] ． A S L E T r a n s ， 1 9 8 7 ， 3 0 3 3 6 0 3 6 7 ． 【 2 9 】O S H I A ， S A D E G H I F ． B e a r i n g C a g e T e m p e r a t u r e M e a s u r e me n t U s i n g R a d i o T e l e m e t r y 『 J ] ． P r o c I n s t n Me c h E n g r s ， P a r t J ， 2 0 01 ， 2 1 5 4 7 14 8 1 ． 【 3 0 】D A M I E N S B ， L U B R E C H A A ， C A N N P M ． I n fl u e n c e o f C a g e C l e a r a n c e o n B e a ri n g L u b ri c a t i o n [ J ] ． T r i b T r a n s ， 2 0 0 4， 4 7 1 26 ． 上接 第 1 2 5页 图 5是 给 电机轴 轴 向施 加 1 0 N的正 弦 力矩信号时谐响应分 析 的结 果 。可 知 ，当 频率 约 为 2 4 0 H z时 ， 系统谐 响应 的振 幅最 大 ，此 时 最 大 的振 幅 约 为 1 ． 5 n m。可 见 ， 在精度达到纳米等级 图 5 进给 系统 的谐 响 应分析 电机轴 0 的超精 密滚珠 丝杠进给系统 中，这种振荡是不可忽视 的。所以，在系统进给的过程中，应尽量使电机轴输 出的转矩动载荷避开这个频率 ，以避免整个系统出现 较大 的振动 ，影 响系统 的定位精度 。 5结论 建立一种新的滚珠丝杠进给系统有限元模型，准 确分析了超精密滚珠丝杠进给系统电机轴输出端的转 矩动载荷对进 给系统产生 的谐 响应 ，明确 了滚珠 丝杠 进给系统电机在启动和刹车时产生的冲击以及电机轴 输出端的振荡特性对整个进给系统的影响。 在超精密滚珠丝杠进给系统中，由电机轴输出端 的转矩动载荷所产生的谐响应 ，会给进给系统的定位 精度产生不可忽视的影响。所以，在系统进给的过程 中，应尽量使电机轴输出的转矩动载荷避开其谐响应 频率，以提高系统的定位精度。 参考文献 【 1 】牛景丽， 陈东海． 现代超精密加工机床的发展及对策 [ J ] ． 机床与液压， 2 0 1 0 ， 3 8 2 9 49 7 ． 【 2 】 卢礼华 ， 郭永丰， 下河边明， 等． 滚珠丝杠在超精密定位 中的应用 [ J ] ． 航空精密制造技术， 2 0 0 7 ， 4 3 2 2 1 2 4． 【 3 】安琦瑜 ， 冯平法， 郁鼎文． 基于 F E M的滚珠丝杠进给系 统动态性能分析[ J ] ． 制造技术与机床， 2 0 0 5 1 0 8 5 8 8． 【 4 】赵万军． 基于 A N S Y S的滚珠丝杠进给系统静动态特性 分析[ J ] ． 机械传动， 2 0 1 0 ， 3 4 5 6 8 7 0 ． 【 5 】李小彭， 刘春时， 马晓波， 等． 数控机床加工精度提高技 术的进展及其存在的问题[ J ] ． 组合机床与 自动化加工 技术 ， 2 0 1 0 1 1 1 4 ．