高速旋转机械的滚动轴承支承技术

1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2009.32姓名:李松生工作单位:上海大学轴承研究室职称:副教授地址:机器人中心4楼428室通讯地址:延长路149号224信箱邮编:200072电话:[phone]传真:[phone]电子邮箱:[e-mail]教师介绍：3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4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5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：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6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7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Dmn值(mm.r/min)、支承刚度、热性能、寿命等。8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9•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10•轴承的高速性能：滚动轴承一般以轴承的速度参数Dmn(mm.r/min)值作为衡量轴承高速性能的指标之一：这里，n为转速。ndDnDm211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，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模型，对高速时轴承的寿命进行分析12•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。轴承结构参数13轴承的受力14(cos)(cos)(cos)(cos)AAiiBBeePWWPWWAPWWiBPWWeVDNFNVDNENFDDEDDVDDNVDDN轴承内部的运动15轴承中的坐标16球滚动体的运动17球滚动体受力18轴承中的位移19球在套圈滚道上的实际接触角20球的离心力21球的陀螺力矩22球在套圈滚道上的接触载荷球在套圈滚道上的接触应力23球在套圈滚道上的接触变形24•支承刚度（径向）分析25•寿命（疲劳）分析26•摩擦学性能分析油膜压力油膜温度油膜厚度27摩擦学性能分析28摩擦学性能分析29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30高速汽车31航空发动机32机器人33立式加工中心34立式数控铣床35计算机硬盘36五坐标加工中心37轴承实验机38高速离心机39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40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。•定时微量供应脂润滑：无污染，适应速度相对较高——适合Dmn值1.5x106mm.r/min的轴承。41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Dmn值1.8x106mm.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Dmn值2.0x106mm.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Dmn值2.5x106mm.r/min以上的轴承。42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43油气的原理：44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45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。46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47谢谢大家！