基于统计性描述的主轴-轴承粗糙结合界面接触热导研究

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固定结合界面的接触热导作为热物性参数对评估界面热传递大小起着十分重要的作用。对于高速电主轴系统中的主轴-轴承粗糙结合界面处的热传递,在宏观上通常认为其与在主轴或轴承材料内的热传递行为一致,但从微观尺度上的研究表明,热流在通过主轴-轴承粗糙结合界面时会出现温度突降的现象。如果忽略了主轴-轴承粗糙结合界面的接触热导,会使得主轴-轴承的热传递与实际存在较大偏差,导致不能准确监测轴承温度。因此从微观尺度研究主轴-轴承粗糙结合界面的接触热导对主轴-轴承系统的热传递具有重要意义。针对高速电主轴系统,本文构建了微观尺度的主轴-轴承粗糙结合界面接触热导的预测模型,分析了主轴表面与轴承表面分离距离对接触热导的影响,最后通过对实例的有限元仿真,间接验证了建立的微观接触热导预测模型的合理性和准确性。论文主要研究结果为:(1)主轴粗糙表面真实形貌的统计性描述。基于统计学理论采用三角分布概率密度函数和抛物线微凸体轮廓的假设,描述了主轴粗糙表面微凸体的顶点高度和几何轮廓;标记了主轴真实粗糙表面轮廓迹线的峰谷,获取了微凸体的面积密度和标准偏差等统计参数,为求解主轴-轴承结合界面的接触力学参数奠定了基础。(2)结合界面接触力学参数与表面分离距离的关系模型建立。求解了单微凸体在不同变形区间的接触力学参数与微凸体变形量的关系,推导出了主轴-轴承结合界面在弹性、弹塑性、完全塑性变形阶段的接触力学参数与表面分离距离的关系模型;发现了当表面分离距离增大时,主轴-轴承结合界面的真实接触面积、总接触压力与法向接触刚度等接触力学参数都逐渐减小。(3)结合界面的统计接触热导预测模型的构建。求解了主轴粗糙表面上微凸体在不同变形阶段的基体热阻和收缩热阻,获得了主轴-轴承结合界面的接触热导与表面分离距离的关系模型;发现了当表面分离距离减小或者接触压力增大时,主轴-轴承结合界面的接触热导都呈非线性增大。(4)主轴-轴承结合界面静力学接触参数和接触热导的有限元仿真。基于主轴粗糙表面的实测数据,建立了主轴粗糙表面与轴承刚性表面的有限元接触模型;仿真结果间接验证了主轴-轴承结合界面接触热导预测模型的合理性和准确性。
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