Шпиндельные узлы металлорежущих станков на арочных шарикоподшипниках с трёхточечным контактом

• Автор: Теклёв, Сергей Владимирович
• Шифр специальности: 05.03.01
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2005
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 312 с. : ил.

* СОДЕРЖАНИЕ

ГЛАВА 1. ШПИНДЕЛЬНЫЕ УЗЛЫ СТАНКОВ НА ОПОРАХ РАЗЛИЧНЫХ ТИПОВ. ОБЗОР. МНОГОТОЧЕЧНЫЕ ПОДШИПНИКИ КАЧЕНИЯ.

ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ

1.1 . Вопросы развития и совершенствования шпиндельных узлов

1.2 . Основные требования, предъявляемые к шпиндельным узлам

1.3 . Подшипники, применяемые в шпиндельных узлах металлорежущих станков

1.4 . Опоры качения шпинделей

1.5 . Подшипники с керамическими телами качения

1.6 . Многоточечные подшипники

1.7 . Цели и задачи исследования

1.8 . Выводы по главе

ГЛАВА 2. ПОСТРОЕНИЕ МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ ТРЁХТОЧЕЧНОГО
АРОЧНОГО ШАРИКОПОДШИПНИКА
2.1 . Математические модели, применяемые при анализе работы
шарикоподшипников
• 2.2 . Особенности моделирования смазанных неконформных узлов
трения
2.3 . Геометрия контактирующих упругих тел
2.3.1. Определение кривизны контактирующих тел
2.3.2 . Поверхностные напряжения и деформации
2.3.2.1 . Точечный контакт
2.3.2.2 . Линейный контакт
2.4 . Положение движущегося шарика в пространстве
2.5 . Упругие смещения в трёхточечном подшипнике
2.5.1. Взаимное положение шарика и дорожки качения
2.5.2 . «Геометрический» преднатяг в арочном подшипнике
2.5.3 . Взаимные смещения контактирующих элементов
2.5.3.1 . Вариант 1 («взаимоотносительный»)
2.5.3.2 . Вариант 2 («параметрический»)
2.6 . Относительное движение контактирующих элементов
2.6.1 . Скорости в точках контакта шарика с кольцами
2.6.2 . Скорости в точках контакта шарика с сепаратором
2.6.3 . Скорости в точках контакта сепаратора с кольцами
2.7 . Упругогидродинамическая модель смазочного материала
2.7.1 . Основные положения
2.7.2 . Трение в УГД-смазке
2.7.3 . Готовые численные решения и аппроксимирующие выражения

ф 2.7.3.1 . Распределение нормального давления в контакте
2.7.3.2 . Толщина слоя смазочного материала в контакте
2.133 . Трение и тепловыделение
2.1 ЗА . Влияние шероховатости поверхности
2.8 . Равновесие элементов подшипника
2.8.1 . Условия равновесия шарика
2.8.2 . Условия равновесия сепаратора
2.8.3 . Условия равновесия колец подшипника
2.9 . Эксплуатационные характеристики подшипника
2.9.1. Жёсткость
2.9.2 . Момент сопротивления вращению подшипника
2.9.2.1 . Момент сопротивления на наружном кольце
2.9.2.2 . Момент сопротивления на внутреннем кольце
2.9.3 . Статическая грузоподъёмность
2.10 . Выводы по главе
ГЛАВА 3. СИНТЕЗ МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ ТРЁХТОЧЕЧНОГО АРОЧНОГО ШАРИКОПОДШИПНИКА. ВОПРОСЫ
ПРАКТИЧЕСКОЙ РЕАЛИЗАЦИИ
3.1 . Общая структура математической модели
3.1.1 . Исходные данные
3.1.2 . Формирование глобальной системы уравнений математической
^ модели арочного подшипника
3.1.2.1 . Комбинированное нагружение подшипника
3.1.2.2 . Осевое нагружение подшипника
3.1.3 . Схема расчётной модели (последовательность расчёта)
3.2 . Реализация модели трения и тепловыделения в контактах
3.2.1 . Распределение температуры по толщине смазочной плёнки
3.2.2 . Вязкость смазочного материала
3.2.2.1 . Определение средней вязкости
3.2.2.2 . Определение коэффициентов в формуле Роландса
3.2.3 . Реологическое поведение смазки
3.2.3.1 . Вязкоупругое поведение смазки
3.2.3.2 . Нелинейно-вязкое поведение смазки
3.2.4 . Решение уравнения энергии
3.2.5 . Учёт влияния шероховатости поверхности
3.2.6 . Схема расчёта
3.3 . Интегрирование по поверхности контакта
3.3.1. Общий принцип
3.3.2 . Интегрирование по эллипсу контакта
3.3.3 . Интегрирование по поверхности эллипсоида
3.4 . Решение системы нелинейных уравнений
3.4.1 . Метод Ньютона-Рафсона решения систем нелинейных уравнений
3.4.2 . Метод Гаусса решения систем линейных уравнений
ш 3.5 . Выводы по главе

ГЛАВА 4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ АРОЧНЫХ
ПОДШИПНИКОВ С ТРЁХТОЧЕЧНЫМ КОНТАКТОМ
4.1 . Исследование зависимости момента трения и температуры от
частоты вращения подшипника
4.1.1 . Стенд для испытания арочных подшипников
4.1.2 . Испытуемый подшипник
4.1.3 . Методика испытаний
4.2 . Экспериментальное исследование смещения внутреннего кольца в зависимости от приложенной осевой нагрузки
4.3 . Испытания арочных подшипников в составе шпиндельного узла
4.4 . Результаты экспериментов
4.4.1 . Измерения температуры
4.4.2 . Измерения момента трения
4.4.3 . Измерения осевого смещения внутреннего кольца подшипника под
действием приложенной осевой нагрузки
4.5 . Выводы по главе
ГЛАВА 5. РЕЗУЛЬТАТЫ МОДЕЛИРОВАНИЯ. ЗАКЛЮЧИТЕЛЬНЫЕ
ВЫВОДЫ
5.1 . Сопоставление результатов расчёта и экспериментальных данных
5.1.1. Расчёт осевого смещения внутреннего кольца подшипника
5.1.2 . Расчёт момента трения при установившейся температуре
5.2 . Потенциальные возможности реализованной модели
5.3 . Поведение модели при изменении исходных данных
5.4. Использование трёхточечных арочных подшипников в ШУ
металлорежущих станков
5.5 . Выводы по главе
ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
ПРИЛОЖЕНИЕ 1. УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ, ПРИНЯТЫЕ В
ДИССЕРТАЦИИ
ПРИЛОЖЕНИЕ 2. ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ, ИСПОЛЬЗУЕМЫЕ ПРИ
РАСЧЁТЕ
ПРИЛОЖЕНИЕ 3. ПРОГРАММНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ

Дальнейшее совершенствование моделирования подшипников качения шло в основном по пути исследования поведения смазки и разработках моделей трения в УГД-контактах [2, 8, 11, 13, 15, 23, 24, 26, 30, 38, 43, 45, 49, 51, 56, 64, 65, 75, 80, 103, 127, 132, 137, 144, 147, 151-156, 165, 172 и др.]. Наряду с этим, большое внимание было уделено разработке различных аппроксимационных подходов и зависимостей, упрощающих моделирование и расчёт подшипников качения [1, 42, 81, 102, 146, 148 и др.].
В нашей стране различными аспектами работы подшипников качения активно занимались во ВНИПП. Сборники научных трудов этой организации содержат большое количество работ, посвящённых как экспериментальным, так и теоретическим исследованиям в этом направлении. Отдавая должное этим работам, нельзя не отметить, что, за редким исключением, моделирование шарикоподшипников осуществлялось на основе гипотезы ведущего кольца и, как правило, без учёта сил трения. Чаще всего рассматривалось чисто осевое нагружение подшипника [58, 59, 66, 67, 68, 70, 90, 113, 118 и др.]. Тем не менее, предпринимались и попытки создания квазистатических моделей, в том числе с учётом контактной гидродинамики (точнее, с учётом наличия смазочной плёнки некоторой толщины) [55, 87, 88, 89] и для случая комбинированного нагружения [33, 69, 72, 98]. По сути, все эти модели строились на базе работы [68], опирающейся на работу Джонса [173], но не учитывающей сил трения в контактах.
Помимо уже упомянутых выше, можно привести большой список исследователей, затрагивающих в своих работах моделирование процессов, происходящих в подшипниках качения. Необходимо отметить работы следующих зарубежных авторов: A.A. Abdel Ghany, S. Aihara, C.W. Allen, S. Biswas, H.S. Cheng, Y.P. Chiu, T.A. Dow, D. Dowson, A. Dyson, M.K. Ghosh, J.A. Greenwood, A. Gu, B.J. Hamrock, G.R. Higginson, L. Houpert, B.O. Jacobson, K.L. Johnson, J.W. Kannel, E. Kingsbury, M.M. Kostreva, H. Krzeminski-Freda, M.O. A. Mokhtar, N. Patir, F. Sadeghi, R.W. Snidle, T.E. Tallian, J.L. Tevaarwerk, D.P. Townsend, J. Tripp, W.O. Winer, E.V. Zaretsky и др. Из отечественных исследователей это Р.Д. Бейзельман, М.А. Галахов, Р.В. Коросташевский,