机床主轴轴承保持架动力学的研究及其发展现状

比较 ，得 到了较 为一致 的结果 ，验证 了其模拟软件的 准 确性 。２０ 年 ，周 延泽 、赖拥 军 等 ０１ 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 ０３ 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 在接 Ｌ 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
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ＣＲ Ｍ Ｅ Ｓ 对 Ｇ ｐａ Ｅ Ｋ ｕｔ 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
Ｋｅｗ ｒｓ ａｅｏ ｒｌｎ ｅｒ ｇ ｙａ ｉ ；Ｍｅｈｎｃｌ ｏｅ；Ｅ ｐｒ ｅ ｔ ｖｓｇｔｎ ｙ ｏ ｄ ：Ｃ ｇ ｆ ｏ ｉ ｂ ａ ｎ ；Ｄ ｎｍｃ ｌｇ ｉ ｓ ｃ ａｉ ｄｌ ｘｅｉ ｎａ ｉ ｅｔ ａ ｏ ａｍ ｍ ｌｎ ｉ ｉ
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
Ｄｙ ｍ ｉ ｓＳｔ ｄｙ ｏ ｇ ｆＢｅ ｒｎｇ ｆ ｒ Ｍ ａ ｈｉ ｎａ ｃ ｕ ｎ Ｃａ ｅ ｏ ａ ｉ ｏ ｃ ｎｅ Ｔｏ ｌＳｐ ｎｄ ｅ ａ ｄ ｔ ｖ ｌ ｐｍ ｅ ｔ ｌＳｔ ｔ ｏ ｉ ｌ ｎ Ｉｓ Ｄｅ ｅｏ ｎ ａ ａ ｕｓ
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 ：１９ ９ ２年 ，Ｂ Ｅ Ｉ Ｅ Ｏ ＳＧ Ｒ等针对球轴承 的保 持架 开 发 了动 力 学计 算 软 件 Ｐ Ｄ Ｅ ９６年 ， Ａ Ｒ ；１９ Ｍ ｅｓ ｅｋ 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 ｗｏ —ａｈｏ ｅ ｔ Ｒ ｐｓｎ数值方法计算 ｎ
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
收 稿 日期 ：２ １ ０ ０—１ ２ ２— ２
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
外学者 Ｊ Ｎ Ｓ 于 １５ Ｏ Ｅ ９ 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。 ＣＴＷＡ Ｔ Ｒ 于 １７ 年创建 了球轴 承动力学 分析 Ｌ Ｅ Ｓ ９１ 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
・５ １ 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 Ｐ Ｕ — Ｔ 等以滚 子 轴承 和球 轴 承 的保 持架 作 为实 例 研 Ａ
将其计算结果与 国外科学家 Ｇ ｐ ｕｔ ａ的同类文献进行 了
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 ３ ． ３ Ｈ１３３ 文献标识码 ：Ａ 文章编号 ：１０ —３ ８ （０ ２ ０ １ ８ １ ２ １ ）１ ５ ４ —１０—
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
作者简介 ：单宝峰 （ ９３ ） １６ 一 ，男 ，教授 ，研究生导师 ，从事现代机械技术及 Ｃ Ｄ方面 的研究。通信作者 ：王斌 ，Ｅ— ｉ Ａ ｍａ ： ｌ
ｓｕｄ ｎｗａ ｇ ｉ ＠ １ ３． ｏ 。 ｔ ｅ ｔ ｎ ｂｎ ６ ｅｍ
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
轴 承保 持 架 的动 力 学 特 性 。作 者 在 国 内外 滚 动 轴 承 保
规律的研 究更 为准确 。１７ ９８年 ＪＷ Ａ Ｎ Ｌ等 对 ＫＮ Ｅ
于弹流润滑区的球轴承 的保持架进行 了深入分析 ，认
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
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
（ ．沈 阳航 空航 天 大学机 电工程 学 院 ，辽 宁沈 阳 ｌ０ ３ ； １ １１６ ２ ．中 国北车天 津机辆 轨道 交通 装备有 限责任 公 司 ，天津 ３０３ ） ０２２
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。１７ ９９年 以后 ，ＰＫ Ｇ Ｐ Ａ Ｕ Ｔ 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
出今后 亟待研究解决 的问题 。
ｔｅ ｆｉｔｏ ｎｄ ｔ ｒ ａ ｅｗｅ ｎ ｔ ａ ｅ ａ ｄ ｒ ｌｉｇ ｈａ ｅ ａ ｇｅ ｔｉ ｈ ｒｃｉ ｎ ａ ｈｅ ｗｏ ｋ ｇ ｐ ｂ ｔ ｅ ｈｅ ｃ ｇ ｎ ｏｌｎ ｖ ｒ ａ ｍｐａ ｔｏ ｈ ｙ ａ ｉ ｔｂｉｉ ｆｒ ｌ ｎ ｅ ｔｎ ｓ Ｔｈ ｒ ｓ ａ ｃ ｎ ｔ ｅ ｄ ｎ ｍ ｃ ｓａ ｌｔ ｏ ｏｌ ｇ ｂ ａ ｇ ． ｙ ｉ ｉ ｅ ｅ ｉ ｄ ｓａ ｅ ｂ ｔ ｅ ｏ ｓｉ ｔ ｄｙ ｌｖ ｌａ ｂ ｏ ｄ． Ｉ ｒ ｒｔ ｓｇ ｈ ａ ｅ ｏ ａ ｉｇ ｂｙｐａ ａ ｔｒ Ｏｕｒｏ ｎ ｌｓｓ ｓ ｆｗａ ｅ ｏ ｉｔｎｃ ｅｗｅ ｎ ｄ ｍｅ ｔｃ ｓｕ ｅ ｅ ｎｄ ａ ｒ ａ ｎ ｏｄｅ ｏ ｄｅ ｉｎ ｔｅ ｃ ｇ ｆｂｅ ｒｎ ｒ ｍｅｅ ， ｗｎ ａ ａｙ ｉ ｏｔ ｒ ｆ ｔ ｏ ｌ ｅ ｒｎｇ ｎ ｈ ａ ｅ ｏ ｈ ｏ ｌｎ ａｉ ｇ ｓ ｉｔ Ａ ｕｍｂ ｒ ｏ ｓｕｅ ｉ ｈ ｗｅ ｅ ｎ ｅ ｅ ｏ ｓｕ ｙ ｉ ｈ ｕ ｕ ｅ ｈｅ ｒｌｉ ｂ ａ ｉ ｓａ ｄ ｔｅ ｃ ｇ ｆｔｅ ｒ ｌｉ ｇ ｂｅ ｒｎ ｓ ｍｕ ｔｂｅ ｂｕｌ． ｎｇ ｎ ｅ ｆｉｓ ｓ ｗｈ ｃ ｒ ｅ ｄ ｄ ｔ ｔ ａ ｒｎｐ ｒ Ｅ ｕｐ ｎ ｏ ，Ｌｄ ，Ｔａｊ ０ ２ ２ ｈ ａ ． Ｎ ｉ ｉ Ｊ ａ ｗ ｙＴａｓｏｔ ｑ ｉ ｎｎ ｌ ｍｅｔ ． ｔ． ｉｎｉ ３ ０ ３ ，Ｃ ｉ ） Ｃ ｎ ｎ
Ａｂ ｔ ａ ｔ Ｔ ｅ ｄ ｎ ｍｉｓ ｓ ｄ ｔ ｔ ｓｏ ｅ ｃ ｇ ｆｒｌ ｎ ｅ ｔ ｇ ｎ ｉ ｃ ｉｖ ｍｅ ｔｏ ａ ｈ ｓ ｇ ｒ ｅ ｉ ｗ ｄ ｗ ｔ ｅ ｓ ｒ ｃ ： ｈ ｙ ａ ｃ ｔ ｙ ｓａｕ ｆｔ ａ ｅ ｏ ｌ ｇ ｂ ａ ｎ ｓ ａ ｄ ｍａｎ ａ ｈｅ ｅ ｎ ｆｅ ｃ ｔ ｅ ｗｅ ｅ ｒｖ ｅ ｅ ｉ ｒ — ｕ ｈ ｏｉ ｉ ａ ｈ ｓ ｅ ｔｔ ｃ ａ ｉａ ｄ ｌ ｎ ｘ ｅ ｉ ｎ ａ ｎ ｅ ｔ ａ ｉｎ Ｆ ｒ ｉｎ ｓ ｈ ｌｒ ｅｉ ｖ ｈ ｔ ｈ ｅ ｉｎ ｐ ｒ ｍｅｅ ｓ ｏ ｅ ｃ ｇ ， ｅ ｐ ｃ ａｌ ｐ ｃ ｏ ｍｅ ｈ ｎ ｃ ｌｍｏ ｅ ｄ ｅ ｐ ｒ ａ ｍｅ ｔｌｉｖ ｓｉ ｔ ． ｏ ｅｇ ｃ ｏａ ｓ ｂ ｌ ｅ ｔ ａ ｅ ｄ ｓｇ ａ ａ ｔｒ ｆｔ ａ ｅ ｇ ｏ ｅ ｔ ｈ ｓ ｅ ｉｌ ｙ
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２１ ０２年 １ 月 第４ ０卷 第 １ 期
机床与液压
Ｍ ＡＣＨＩ ＮＥ ００Ｌ ＆ ＨＹＤＲＡＵＬ Ｃ Ｔ ＩＳ
Ｊｎ２ １ ａ． ０２
Ｖｏ． ０ Ｎｏ １ １４ ．
Ｄ ：１ ． ９ ９ ｊｉ ｎ １ ０ ＯＩ ０ ３ ６ ／．ｓ ． ０ １—３ ８ ． ０ ２ ０ ． ４ ｓ ８ １２ １． １０ １