[发明专利]一种精密机床主轴轴承的瞬态动力学分析方法

说明书

本发明提供了一种精密机床主轴轴承的瞬态动力学分析方法，首先采用三维建模软件建立全尺寸轴承三维几何模型，然后进行有限元模型建立；其次进行静力学分析求出最大接触应力后与Hertz理论进行对比，完善有限元模型的建立和网格的划分；最后施加不同的载荷及边界条件并设置求解项，进行瞬态分析求解。采用本发明方法能够分析精密机床主轴轴承在不同工况下的各个参数，是进一步研究轴承运动过程中受力、变形、损伤等内在机理的基础，同时可以进一步实现故障轴承运动过程的仿真和参数分析，为轴承故障特征提取提供数据。

技术领域

本发明涉及轴承设计方法领域，具体涉及一种精密机床主轴轴承的瞬态动力学分析方法。

背景技术

作为机床主轴支撑部件的机床主轴轴承，在承受轴向和径向载荷的同时，还需要保证在高速状态下轴承的旋转精度不发生大的变化，因而分析机床主轴轴承的结构参数对精度的影响是机床主轴轴承精度研究的重点。

传统的通过做实验研究机床主轴轴承各参数对精度的影响成本高，反馈周期长，学者们提出了很多利用有限元分析的研究方法，但都是基于有限元的轴承分析方法大多是使用显示动力学得到的，而这种分析方法不能很好地分析轴承在随着时间变化的动载荷作用下的动态响应过程。

发明内容

本发明提出一种精密机床主轴轴承的瞬态动力学分析方法，其在ANSYSWorkbench中使用瞬态动力学分析模块对机床主轴轴承进行动态接触分析，可以研究轴承在工作转动下的应力和速度分布状况，分析不同工况下载荷对轴承各元件接触应力的影响规律，可以为轴承的优化设计提供支撑。

本发明解决上述问题的技术方案是：一种精密机床主轴轴承的瞬态动力学分析方法，其特殊之处在于，包括以下步骤：

1)对轴承的轴承外圈、轴承内圈、保持架、滚子等进行几何建模并进行装配；

2)对模型进行网格划分，对轴承内、外圈和滚子均使用扫略法进行网格划分；

3)对轴承进行边界条件的设定，三个接触对均设置为摩擦接触；

4)进行静力学分析；

5)对轴承施加载荷；

6)利用瞬态动力学进行结果分析。

进一步地，上述步骤1)中，几何建模所用软件为在SolidWorks。

进一步地，上述步骤2)中，对保持架使用自由网格化分时，网格尺寸设置为1.5mm。

进一步地，上述步骤4)中，进行静力学分析时，将最大接触应力结果和Hertz接触理论进行对比，确保误差在5％以内。

进一步地，上述步骤5)中，对轴承施加载荷时，先施加随时间变化的径向载荷，待载荷稳定后施加匀速上升的转速，最终达到稳定加载状态。

进一步地，上述步骤6)中，瞬态动力学分析主要考虑精密机床主轴轴承运转过程中的惯性力和阻尼力，只分析某一时刻轴承的各个参数，最后应用到整个时间历程中，得到轴承的整体变化规律。

瞬态动力学的基本运动方程与通用运动方程相同，即：

其中[M]表示的是质量矩阵，表示的是节点加速度向量，[C]表示的是阻尼矩阵，表示的是节点速度向量，[K]表示的是刚度矩阵，{F(t)}表示的力矢量。

在任意给定时刻，该方程可视为一系列考虑了惯性力和阻尼力的静力学平衡方程。

本发明的优点：