(19)中华人民共和国国家知识产权局
(12)发明专利申请
(10)申请公布号 CN 110132593 A(43)申请公布日 2019.08.16
(21)申请号 201910397768.X(22)申请日 2019.05.14
(71)申请人 重庆大学
地址 400044 重庆市沙坪坝区正街174号(72)发明人 马驰 刘佳兰 王时龙 (74)专利代理机构 北京汇泽知识产权代理有限
公司 11228
代理人 武君(51)Int.Cl.
G01M 13/04(2019.01)
权利要求书1页 说明书5页 附图6页
CN 110132593 A(54)发明名称
隔圈不平行度对主轴热结构耦合影响规律测试平台及方法(57)摘要
本发明公开了隔圈不平行度对主轴热结构耦合影响规律测试平台及方法,所述外壳体内部安装主轴,所述主轴通过前支撑件和后支撑件实现所述主轴在所述外壳体内部的固定,所述主轴相对于所述外壳体伸出段设置有前位移传感器组和后位移传感器组,所述前支撑件和后支撑件的表面设置有前温度传感器和后温度传感器。本发明的优点是真实模拟了高速主轴工作的状态，使具有平行度误差的隔圈对主轴热变形的变化、主轴系统温升和轴承生热量数据可以真实的反应出来，测试方法模拟了定转速和变转速条件下，隔圈不平行度误差对主轴变形、主轴系统温升和轴承温度变化的影响，进而对于轴承刚度变化的分析起到了重要的理论支撑作用。
CN 110132593 A
权 利 要 求 书
1/1页
1.隔圈不平行度对主轴热结构耦合影响规律测试平台,包括外壳体,其特征在于：所述外壳体内部安装主轴,所述主轴通过前支撑件和后支撑件实现所述主轴在所述外壳体内部的固定,所述主轴相对于所述外壳体伸出段设置有前位移传感器组和后位移传感器组,所述前支撑件和后支撑件的表面设置有前温度传感器和后温度传感器。
2.根据权利要求1所述的隔圈不平行度对主轴热结构耦合影响规律测试平台，其特征在于：所述主轴中部外侧壁与所述外壳体内侧壁之间安装有转动装置。
3.根据权利要求2所述的隔圈不平行度对主轴热结构耦合影响规律测试平台，其特征在于：所述转动装置包括依次连接的转子和定子。
4.根据权利要求1所述的隔圈不平行度对主轴热结构耦合影响规律测试平台，其特征在于：所述前支撑件为前轴承，所述后支撑件为后轴承。
5.根据权利要求4所述的隔圈不平行度对主轴热结构耦合影响规律测试平台，其特征在于：所述前轴承和后轴承均安装具有平行度误差的隔圈。
6.根据权利要求1所述的隔圈不平行度对主轴热结构耦合影响规律测试平台，其特征在于：所述前位移传感器组包括前位移传感器I、前位移传感器Ⅱ和前位移传感器Ⅲ，所述后位移传感器组包括后位移传感器I、后位移传感器Ⅱ和后位移传感器Ⅲ，所述前位移传感器I、前位移传感器Ⅱ和前位移传感器Ⅲ的轴线方向相互垂直，所述后位移传感器I、后位移传感器Ⅱ和后位移传感器Ⅲ的轴线方向相互垂直。
7.根据权利要求1所述的隔圈不平行度对主轴热结构耦合影响规律测试平台，其特征在于：所述主轴的两端均安装平衡块。
8.根据权利要求4所述的隔圈不平行度对主轴热结构耦合影响规律测试平台，其特征在于：所述前轴承的一端设置弹性元件，所述后轴承的一端设置限位环，另一端设置套筒。
9.根据权利要求8所述的隔圈不平行度对主轴热结构耦合影响规律测试平台，其特征在于：所述套筒远离所述限位环的一端安装有锁紧螺母。
10.一种如权利要求1-9任一所述隔圈不平行度对高速电主轴系统热-结构耦合特性影响规律测试平台的方法，其特征在于：所述方法具体为:
设置固定的转速值,将多个具有不同平行度误差的隔圈分别安装于支撑主轴的轴承上，测量主轴不同时刻的轴向和径向的位移以及对应时刻的轴承的温度；设置变化转速,将多个具有不同平行度误差的隔圈分别安装于支撑主轴的轴承上,测量主轴不同时刻的轴向和径向的位移以及对应时刻的轴承的温度。
2
CN 110132593 A
说 明 书
1/5页
隔圈不平行度对主轴热结构耦合影响规律测试平台及方法
技术领域
[0001]本发明涉及机械领域，具体的，涉及隔圈不平行度对主轴热结构耦合影响规律测试平台及方法
背景技术
[0002]高速主轴包括转子、电动机、轴承和隔圈等旋转部件，其中轴承是高速旋转主轴的关键部件，其性能直接影响到机床主轴的回转精度、使用寿命和可靠性。轴承服役性能除受自身制造精度、预紧力、润滑状态等因素的影响外，还与周围部件的配合接触状态有关，受到业内和研究者的关注。隔圈起着直接轴向固定轴承的作用，是其周围重要部件之一，其制造误差将直接导致轴承工作状态不良。隔圈端面平行度不良会产生非均匀的预紧力，引起轴承倾斜运转，从而对轴承的运行性能、接触载荷及其生热量产生一定影响。目前，隔圈端面几何精度对轴承性能影响的研究相对缺乏。
发明内容
[0003]有鉴于此，本发明的目的之一是提供隔圈不平行度对主轴热结构耦合影响规律测试平台，优点是真实模拟了高速主轴工作的状态，使得具有平行度误差的隔圈对主轴热变形的变化、主轴系统温升和轴承生热量数据可以真实的反应出来，同时本发明提出的测试平台结构简单，测试原理清晰，极具推广价值，目的之二提供了基于该测试平台的测试方法，模拟了定转速和变转速条件下，隔圈不平行度误差对主轴热变形、主轴系统温升和轴承温度变化的影响，进而对于轴承刚度及其生热量的分析起到了重要的理论支撑作用。[0004]本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
[0005]隔圈不平行度对主轴热结构耦合影响规律测试平台,包括外壳体,所述外壳体内部安装主轴,所述主轴通过前支撑件和后支撑件实现所述主轴在所述外壳体内部的固定,所述主轴相对于所述外壳体的伸出段设置有前位移传感器组和后位移传感器组,所述前支撑件和后支撑件的表面设置有前温度传感器和后温度传感器。[0006]进一步，所述主轴中部外侧壁与所述外壳体内侧壁之间安装有转动装置。[0007]进一步，所述转动装置包括依次连接的转子和定子。[0008]进一步，所述前支撑件为前轴承，所述后支撑件为后轴承。[0009]进一步，所述前轴承和后轴承均安装具有平行度误差的隔圈。[0010]进一步，所述前位移传感器组包括前位移传感器I、前位移传感器Ⅱ和前位移传感器Ⅲ，所述后位移传感器组包括后位移传感器I、后位移传感器Ⅱ和后位移传感器Ⅲ，所述前位移传感器I、前位移传感器Ⅱ和前位移传感器Ⅲ的轴线方向相互垂直，所述后位移传感器I、后位移传感器Ⅱ和后位移传感器Ⅲ的轴线方向相互垂直。[0011]进一步，所述主轴的两端均安装平衡块。[0012]进一步，：所述前轴承的一端设置弹性元件，所述后轴承的一端设置限位环，另一端设置套筒。
3
CN 110132593 A[0013]
说 明 书
2/5页
进一步，所述套筒远离所述限位环的一端安装有锁紧螺母。
[0014]一种如上文所述测试平台的测试方法，所述测试方法具体为:
[0015]设置固定的转速值,将多个具有不同平行度误差的隔圈分别安装于支撑主轴的轴承上，测量主轴不同时刻的轴向和径向的位移以及对应时刻的轴承的温度；设置变化转速,将多个具有不同平行度误差的隔圈分别安装于支撑主轴的轴承上,测量主轴不同时刻的轴向和径向的位移以及对应时刻的轴承的温度。[0016]本发明的有益效果是：
[0017]本发明的提供了隔圈不平行度对主轴热结构耦合影响规律测试平台，优点是真实模拟了高速主轴工作的状态，使得具有平行度误差的隔圈对主轴热变形的变化、主轴系统温升和轴承生热量数据可以真实的反应出来，同时本发明提出的测试平台结构简单，测试原理清晰，极具推广价值，基于该平台的测试方法，模拟了定转速和变转速条件下，隔圈不平行度误差对主轴热伸长量和轴承温度变化的影响，进而对于轴承刚度变化的分析起到了重要的理论支撑作用。
[0018]本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书和权利要求书来实现和获得。
附图说明
[0019]为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步的详细描述，其中：
[0020]附图1为本发明结构示意图；
[0021]附图2为前位移传感器组和后位移传感器组布置图；[0022]附图3为具有平行度误差的隔圈受力示意图；
[0023]附图4为具有平行度误差的隔圈发生热身长变形示意图；[0024]附图5为实施例1轴承温度随时间变化图；
[0025]附图6为实施例1主轴在X方向热身长量变化图；[0026]附图7为实施例1主轴在Y方向热身长量变化图；[0027]附图8为实施例1主轴在Z方向热身长量变化图；[0028]附图9为实施例2主轴在变转速条件下，不同平行度误差隔圈生热量变化图；[0029]附图10实施例2主轴在变转速条件下，主轴在X、Y、Z方向热身长量变化图；[0030]附图11为轴承轴向方向刚度随隔圈不平行度误差变化；[0031]附图12为轴承径向方向刚度随隔圈不平行度误差变化。
具体实施方式
[0032]以下将参照附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述。应当理解，优选实施例仅为了说明本发明，而不是为了本发明的保护范围。[0033]如图1所示，本发明提出了隔圈不平行度对主轴热结构耦合影响规律测试平台,包括外壳体1,外壳体1内部安装主轴2,主轴2通过前轴承3和后轴承4,主轴2相对于外壳体1伸
4
CN 110132593 A
说 明 书
3/5页
出段设置有前位移传感器组10和后位移传感器组13,前轴承3和后轴承4的表面设置有前温度传感器5和后温度传感器6。主轴2的两端均安装平衡块16，主轴2中部外侧壁与外壳体1内侧壁之间安装有转动装置，转动装置包括依次连接的转子9和定子8。[0034]作为进一步改进，如图2所示，前位移传感器组10包括前位移传感器I101、前位移传感器Ⅱ102和前位移传感器Ⅲ103，用于测量主轴2在转动时，X、Y和Z三个方向的热伸长量，后位移传感器组13中的后位移传感器I131、后位移传感器Ⅱ132和后位移传感器Ⅲ133的布置情况与前位移传感器组10的布置情况相同。[0035]作为进一步改进，前轴承3的一端设置弹簧11，后轴承4的一端设置限位环7，另一端设置套筒8，套筒8远离限位环7的一端安装有锁紧螺母14。弹簧11通过弹力实现前轴承3的预紧，锁紧螺母14、套筒8与限位环7形成方向相反的轴向力，实现后轴承4的预紧，同时，实现了前轴承3和后轴承4相对于主轴的可拆卸功能，为更换具有不同平行度误差隔圈提供了方便。前轴承3和后轴承4均安装具有平行度误差的隔圈。
[0036]本发明提出的隔圈不平行度对主轴热结构耦合影响规律测试平台,基于的理论基础是:如图3所示,为具有平行度误差的隔圈,在轴向力的作用下,内外隔圈相对倾斜导致产生了轴向位移δ径向位移δθ，作用结果如图4所示。a，x和角位移[0037]轴承生热量是轴向位移δ径向位移δθ的函数，上述位移导致轴承实际a，x和角位移接触角产生变化。轴承生热量是轴承接触角的函数，所以配置有平行度误差的隔圈的高速主轴轴承生热量与理想状态下的生热量并不相同。[0038]轴承温度是轴系热性能的关键指标，对于高速旋转的角接触球轴承，外圈的温升可以代表轴承的温度变化。轴承温度变化既是轴承工作的监控指标又是影响轴系热伸长的关键因素。
[0039]一种如上文所述测试平台的方法，测试方法具体为:
[0040]设置固定的转速值,将多个具有不同平行度误差的隔圈分别安装于支撑主轴的轴承上，测量主轴不同时刻的轴向和径向的位移以及对应时刻的隔圈的温度；设置变化转速,将多个具有不同平行度误差的隔圈分别安装于支撑主轴的轴承上,测量主轴不同时刻的轴向和径向的位移以及对应时刻的隔圈的温度。
[0041]本发明测量五组隔圈类型下的轴承外圈温升曲线及主轴轴芯X/Y/Z三个方向的热变形，以期定量分析隔圈平行度不良造成轴承倾斜运转后对轴系温升和热变形的影响。[0042]实施例1
[0043]实施例1设置固定转速，采用五种不同平行度的隔圈进行对比试验，用隔圈以及主轴转速如表1所示。
[0044]表1实施例1隔圈及转速表
5
CN 110132593 A[0045]
说 明 书
4/5页
[0046]
隔圈温度随时间变化图如图5所示，主轴2在X、Y、Z三个方向的热伸长量如图6、7、8
所示。
[0047]
实施例2
[0048]实施例2测量主轴在不同转速(1000～8000rpm)下的温升特性，连续运转。工控机显示屏实时记录各测量点温度上升趋势，每隔2s记录一次温度值，直到轴系在该转速达到热平衡为止，然后再提速继续进行运转测量。[0049]变转速条件下，所设置的隔圈不平行度误差和转速如表2所示。[0050]表2实施例2隔圈及转速表
[0051]
变转速条件下，单一平行度误差的隔圈温度随时间变化如图9所示。
[0053]变转速条件下，主轴的热伸长量如图10所示。[0054]根据图6-8和图10分析，随着主轴在各转速下的运转，主轴前端标准球在Z，Y方向的热漂移量较大，X方向的变动较小。Z方向反映的就是主轴前端轴向热伸长量的变化，可以看出，随着隔圈不平行度的增大，主轴前端轴向热伸长也逐渐增加，这和轴系温升的趋势基本是一致的。Y方向的数据说明主轴前端标准球在逐渐远离传感器，主轴的“抬头现象”还是比较明显，而且随着外隔圈平行度误差的增大，抬头现象也更加严重。[0055]根据图5-10分析，轴承生热量随着隔圈不平行度的增加而增大，且转速越高，轴承生热量对隔圈不平行度的变化更加敏感，导致主轴温度升高，且热变形更加明显。[0056]如图11和12所示，为轴承轴向和径向的刚度随轴承隔圈不平行度误差变化规律，
[0052]
6
CN 110132593 A
说 明 书
5/5页
轴承的刚度与轴承的热变形量有关，从图11和12可以看出，隔圈的不平行度越大，轴承的轴向和平行于轴承倾斜方向(即X、Y方向)的热伸长就越大，因此刚度逐渐减小，轴承在垂直于轴承倾斜的方向(即Z方向)由于其他两个方向产生了热伸长，因此该方向的变形呈缩短趋势，因此刚度逐渐增大。[0057]最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
7
CN 110132593 A
说 明 书 附 图
1/6页
图1
图2
图3
8
CN 110132593 A
说 明 书 附 图
2/6页
图4
图5
9
CN 110132593 A
说 明 书 附 图
3/6页
图6
图7
10
CN 110132593 A
说 明 书 附 图
4/6页
图8
图9
11
CN 110132593 A
说 明 书 附 图
5/6页
图10
图11
12
CN 110132593 A
说 明 书 附 图
6/6页
图12
13
