主轴轴承离心力预紧装置的研究

三江学院 徐伟

高速运行的主轴轴承会产生离心力，预紧装置能够帮助主轴轴承正常运行。文章先介绍了研究预紧装置的意义，然后介绍了主轴轴承的离心现象，接下来分别介绍了主轴轴承的离心力对轴承刚度和轴承发热的影响，然后进行预紧力应用现状的介绍，最后探讨了本次实验的预紧装置研究方案。希望本次研究能够给予有关设计人员以启发，进一步研究更完善的预紧装置配置。

主轴轴承；离心力；预紧装置

主轴轴承离心力预紧装置的研究

三江学院 徐伟

主轴是一种高速运行的部件，这种部件应用广泛，在国防、电子等领域都有所涉及。高速运行的主轴由于多方面原因会产生离心力，离心力的产生容易使得轴承失效，同时会对轴承各个部位产生复杂的影响。为了让主轴轴承在高速运行下既维持其自身优势，又能够尽量减少磨损，需要进行离心力预紧装置的研究，这种研究对实现主轴高性能运转非常关键。下面将进行本次研究的介绍。

1 研究预紧装置的意义

研究预紧装置之前，必须了解这样的情况：电主轴使用的轴承是一种角接触轴承，然而，由于离心力的影响，在实际情况下，轴承的滚珠与轴承的内外圈之间会交替产生间隙，而不是时刻紧密接触的。这种间隙的产生会造成轴承临界转速和刚度的降低，同时也会使得轴承振动增加，对轴承的使用寿命有着严重的影响。面对这种情况，就需要寻求解决方案，研究发现，对主轴轴承施加合适的预紧力，能够保证滚珠和轴承内外圈紧密接触，能够提高轴承运行稳定性、轴承刚度以及临界转速，同时在使用时更加精确。本实验对预紧装置进行研究就是出于以上目的。

过去，已经有人对这个课题进行了研究，研究了主轴固有频率、主轴刚度、主轴发热情况和轴承预紧力之间的联系。研究表明：在系统条件不变的情况下，轴承预紧力越大，则固有频率越大；若是预紧力保持不变，则轴承支承跨距越大，固有频率越大；轴承的预紧力越大，轴承刚度越大，且刚度增长速率会降低；转速条件不变时，轴承预紧力越大，轴承温度越高，若是预紧力不变，则轴承温度也会随转速改变。

主轴轴承低速运转进行粗加工时，要求输出大转矩，这时需要较大的预紧力来保证轴承运行的刚度、振动等；进行高速运转精加工时，要求输出大功率，这时为了保证主轴轴承的温度不会上升很多，需要较小的预紧力。由此可见，预紧力的施加是要根据不同状况调整的，合适的预紧力能够对主轴轴承的使用性能有较好的提升，本次实验就是研究如何利用预紧装置施加合适的预紧力。

2 主轴轴承离心现象

各类电主轴支承轴承中，滚动轴承应用的最为广泛，特别是这一类型中的高速角接触球轴承，本次实验就是针对这一类型的轴承进行研究的。

由于多种因素，主轴轴承上会发生离心现象，离心现象产生的原因有可能是主轴制造时形状不够对称、材料不够均匀，有可能是在加工配置时发生了失误导致中心不在旋转中心上，容易发生质量上的分布不均，而高速运转产生离心力[1]，还有可能是主轴旋转时，轴承的滚珠也会因为这一作用而自身发生旋转从而产生了离心作用。

总的来说，主轴上的离心作用可以分为三种类型：第一种，轴承上的滚珠旋转受到离心力影响最终产生了径向离心；第二种，转子等旋转的部位自身旋转时会产生离心力，受到自身的力的影响而离心膨胀[2]；第三种，制造时，转子的质量不均匀从而产生了离心作用。随着主轴转速逐渐提高，很多种离心现象的产生原因都归结为了前两种。产生的离心作用会使得主轴工作时产生很大误差，同时加速主轴的磨损，使得主轴的寿命不长。

3 离心力的影响

结合本次的研究，笔者发现主轴轴承的离心力主要是对以下两个方面有所影响。

3.1 对轴承刚度影响

支承轴承是电主轴非常关键的重要部件，它会影响到电主轴的运行情况。当电主轴在不同的情况下运行时，很难确保都能拥有合适的轴承刚度。这是因为，当主轴轴承高速运转时，其刚度会受到多重因素的影响，例如轴承类型、转速、预紧力等等。这种影响如果范围过大就会对主轴本身产生运转上的影响。在低速条件下，离心力的作用不是很明显，然而，一旦高速运转，离心作用会快速增加，对轴承的刚度也将改变到很大的范围，对轴承刚度造成重大影响。

主轴的运动特性受预紧力大小的影响，预紧力也是判断主轴特性的重要参数之一。施加适当的预紧力有多种好处，例如可以减少内外接触角的差值，可以增加主轴轴承的寿命。然而，必须明确的是，预紧力的大小是合适的，如果预紧力太大，容易使轴承内外圈与滚动体之间的接触应力过大而摩擦严重，会影响主轴的转速、降低主轴寿命[3]。实验中可以发现，预紧力会由多种形式产生，给定的初始预紧力只占到其中的一部分，还有内圈、滚动体离心所产生的预紧力。

在实际运行情况下，由于高速的运转，离心力会增大、预紧力也会产生，这种种因素会造成接触角发生变化。变化产生的后果与接触角大小有关，如果，接触角大于8.9度，那么随着转速增加，轴承刚度会减小，并且减小的速度与接触角有关，接触角越大，减小速度越快[4]。

3.2 对轴承发热影响

轴承发热会对主轴的运行产生很大的影响，轴承发热产生的原因有很多。而生热现象是由于摩擦造成的，自旋摩擦、润滑液的粘性摩擦等等都会产生摩擦力矩。摩擦生热，然而如果产生的热量没有被很好地传递出去，或者是热量产生过快，使得温度急剧增加就容易使主轴运转不稳，也会造成轴承上膨胀不均匀，这加速了生热现象的产生，最终会使得热预紧产生。明确地说，这种现象分四个步骤依次产生，先是摩擦生热，然后热传递，接下来发生热膨胀，最后就是热预紧力产生，并且这种热预紧力的产生还与转速有关，转速越大，热预紧力越大，温度也影响很大，温度越大，热预紧力越大。而热膨胀也会对主轴产生影响，各部件之间的热膨胀相互耦合容易对轴承预紧力和刚度产生影响。

在主轴高速运转时，容易使摩擦作用加剧，轴承发热增加，而产生的热量又会使轴承的刚度和预紧力减小，导致更多的热量产生，最终引发更大的热膨胀，而这又会使轴承刚度提高。由这种关系可以看出，高速运转和热膨胀之间对轴承刚度的影响上可以相互补偿。

高速运转的电主轴由于转速的提高产生的摩擦引发轴承生热，这种生热效应使得轴承受到影响，温度的快速提高导致轴承失效。这种主轴失效区别于传统的由于预紧力过大而产生摩擦最终导致轴承发热的主轴。

4 预紧力应用现状

目前的高速主轴中预紧应用时主要是采用定位和定压预紧的方式。其中，定位预紧指的是通过对轴承内外圈之间的宽度调整来进行预紧力的施加，这种施加方式的优点在于轴承刚度强且结构简单，然而，也会有缺陷，若是轴承上的零件发热会使内外圈宽度发生变化，最终预紧载荷发生变化。定压预紧指的是通过施加合适的弹簧力来进行预紧力的施加，这种施加方式的优势在于轴承刚度比弹簧刚度远大，主轴在运转过程中，弹簧几乎可以维持不变，然而，缺陷就在于弹簧预紧刚性太差。

预紧力的大小的确定要兼顾低速运转和高速运转的条件，因此，若只是按照传统的方式进行预紧是不能满足要求的，目前有待研究的是能够自动调节的预紧装置。目前国内外有很多研究组对预紧装置进行研究：2008年，来自北京信息科技大学的杨庆东小组研究出了主轴的预紧力自动调节法，这种方法的研究是根据材料的不同特性来的[5]；2006年，来自东南大学的蒋书运研究出了可控智能化高速加工电主轴[6]；2013年，来自上海大众祥易机电技术有限公司的徐小平研究小组研究出了可进行主轴预紧力调节的装置[7]。

由以上种种研究可以看出，预紧力研究方向将向着智能化方向发展，然而，调节过程中，仍然有很多需要考虑，这是因为，预紧力的施加将对主轴振动、临界转速、轴承刚度等等产生影响，因此，合适的预紧力的确定将是研究的难点之一。

5 预紧装置研究方案

本实验进行预紧装置研究时，选用的电主轴是根据实验室中已有的电主轴进行改进研制出来的，电主轴的前后都有轴承配置。本实验中，重点进行了压电陶瓷的应用。这种压电陶瓷材料能够实现电能、机械能的相互转化，基于这种特点，研制出了压电陶瓷驱动器，这种驱动器在电能条件下，可以产生机械能，而在机械能条件下又能产生电能，本次实验就将这种驱动器作为了预紧施力。

决定预紧力大小的有很多参数，例如：主轴转速、主轴振动、轴承发热。而对主轴加工的精度以及主轴的转速情况影响最大的主要是主轴的振动以及轴承的升温情况，因此，本次实验主要是针对这两个方面进行的研究。本次实验中，对振动情况进行检测的是振动检测仪，对轴承升温情况进行检测的是热电偶。通过对振动及升温情况的确定来综合确定需要施加的预紧力大小。

实验中，通过调节压电陶瓷驱动电源电压来调节施加在轴承上的预紧力的大小，预紧力大小的具体参数是通过应变片测量的。实验的具体操作步骤为：分别对轴承施加100N、200N、300N、400N的预紧力，分别检测其在 1000r/min、1500r/min、2000r/min、2500r/min、3000r/min转速下的振动情况和升温情况。绘制实验结果图形如图1、图2所示。

图1 振动、转速、预紧力关系图

图2 升温、转速、预紧力关系图

对实验数据进行分析，结论如下：

（1）主轴振动实验表明:主轴转速增加则主轴的振动随之增加，此时应增大轴承预紧力使主轴振动减小。

（2）升温实验结果表明:轴承温度随着主轴转速和轴承预紧力的增加而增加，因此在增大轴承预紧力减小主轴振动的同时应综合考虑轴承升温的情况，以保证主轴的旋转精度。

6 结束语

综上所述，主轴轴承离心力会对轴承的刚度及发热情况有影响，而预紧力施加的合适与否会影响到轴承运行的性能好坏。轴承预紧力会对轴承刚度、发热以及固有频率有所影响。而目前安装的预紧装置的预紧力施加方案已经不能够满足现代化的需求了，为了让预紧装置进一步维护主轴轴承正常运行，必须朝着智能调控的方向研究。本次实验考虑了很多对轴承预紧力的影响因素，然后进行综合评判，以得出能施加最佳预紧力的预紧装置。

[1]李永丰.基于张力闭环控制的新型钢丝绳预紧装置[J].制造业自动化,2017,39(03):17～19.

[2]宁峰平,姚建涛,安静涛等.减缓空间机械臂热预紧力的研究[J].机械工程学报,2017,53(11):54～60.

[3]齐向阳,王鹤宇.基于压电陶瓷与柔性机构的高速机床主轴预紧控制机构设计[J].邵阳学院学报(自然科学版),2017,14(01):100～107.

[4]张振宇,智慧,田野等.精密轴承的预紧力定位包装研究[J].包装工程,2017,38(09):178～182.

[5]杨洋,程刚刚.高速电主轴轴承预紧的分析研究[J].机械制造,2017,55(03):50～51.

[6]黄伟迪,甘春标,杨世锡等.高速电主轴角接触球轴承刚度及其对电主轴临界转速的影响分析[J].振动与冲击,2017,36(10):19～25.

徐伟，男，1982年出生，江苏盐城人，学士，实验师，研究方向：机械设计与制造。