基于液压伺服控制的动静压轴承设计理论研究

摘要

随着现代机械设备向大型化、高速、高精度、重载等方向发展，液体润滑动静压轴承得到越来越广泛的应用。动静压轴承在其静压油腔的进油路上采用节流器作为调节元件，节流器对动静压轴承的静、动态性能起着重要的作用。为了解决传统节流方式中固定节流器承载性能及油膜刚性差、可变节流器的动态特性较差等问题，本文创新性地提出了一种新型节流方式的动静压轴承——基于液压伺服控制的动静压轴承，该轴承采用液压伺服控制方式实现了节流方式由固定节流或可变节流到按需可控节流的转变。本文的研究成果及主要内容如下：
　　 ①分析了液压伺服控制动静压轴承系统的组成及工作原理，建立了轴承力学性能的雷诺方程；采用有限差分法对不同节流方式下的静压、动静压轴承的静态性能进行了求解，采用MATLAB软件计算轴承油膜压力场；建立动静压轴承的静态性能解析法模型，实现了解析计算；采用FLUENT软件求解轴承的静态性能；对上述三种方法的求解进行了对比分析。实例证明，三种方法均能有效求解轴承的压力场及静态特性，三油腔动静压轴承和三油腔阶梯动静压轴承相比于四油腔静压轴承具有较高的承载能力和油膜刚性，液压伺服控制的动静压轴承具有较高的油膜刚性和承载能力。
　　 ②建立了动静压轴承温度场的数学模型，对能量方程进行离散及迭代计算，分别采用数值计算法和流体力学分析软件FLUENT求解几种结构形式的动静压轴承的温度场分布。实例结果表明：两种方法计算出来的结果接近，比较符合实际运行工况。
　　 ③阐述了动静压轴承油膜刚度和油膜阻尼形成的机理，提出了8个动力特性系数，探讨了动力特性系数的求解方法——有限差分法和作图解析法，有效地求解了不同节流方式下和不同腔形结构的静压、动静压轴承动力特性系数。实例结果表明：两种方法计算结果比较接近；三油腔阶梯动静压轴承具有较高的油膜刚度和阻尼系数，能大大提高轴承的运行性能。此外，还分析了轴承主轴在受到外界扰动时轴心运动轨迹的数学模型，推导了动载作用下主轴轴心轨迹的运动方程。实例计算表明：当主轴在恒定载荷作用下受到外界干扰时，在干扰消除后，轴心按一定轨迹回到原有初始平衡位置。
　　 ④研究静压轴承节流机理，建立了毛细管、小孔、薄膜反馈、滑阀反馈节流方式下静压轴承的承载性能及油膜刚度解析式，并通过实验验证上述节流方式下轴承的承载能力及油膜刚性。提出了采用流量平衡方程法和线性化法推导上述四种节流方式下轴承的动态特性传递函数，得到动态特性方块图，实现动态仿真。仿真结果表明：固定节流方式下轴承的动态性能较好，而可变节流方式下轴承的动态响应速度偏慢、动态超调量偏大。
　　 ⑤分析研究液压伺服控制动静压轴承的动态特性。首先从分析单自由度液压伺服控制的静压轴承入手，建立了相应的动态特性数学模型；其次，采用线性化法和动力特性系数相结合的方法推导两自由度液压伺服控制的动静压轴承动态特性方块图。在此基础上，探索前后径向轴承、主轴等多自由度交叉耦合的主轴转子系统动态特性传递函数的分析求解方法，实现了一系列的仿真分析。仿真结果表明：液压伺服控制的静压、动静压轴承具有较为理想的动态特性。
　　 本文开展的液压伺服控制动静压轴承设计理论中的研究方法和研究成果，对于开发适用于高速、高精度、重载等领域的新型动静压轴承提供了重要的参考及理论价值，是液体润滑轴承理论创新的一次探索，对于轴承设计理论将产生重要的推动作用。

目录

文摘

英文文摘

声明

1绪论

1.1论文研究背景和选题意义

1.2动静压混合油膜轴承的国内外研究现状

1.2.1流体润滑理论的研究现状

1.2.2油膜稳定性的研究现状

1.2.3轴承动态特性的研究现状

1.2.4轴承表面粗糙度对轴承性能的影响研究现状

1.2.5动静压轴承动力特性的研究现状

1.2.6动静压轴承结构的研究现状

1.2.7轴承节流理论的研究现状

1.2.8滑动轴承主动控制方面的研究现状

1.2.9滑动轴承非线性油膜力的研究现状

1.3论文的研究内容

1.4本章小结

2液压伺服控制静压、动静压轴承润滑理论基础

2.1液压伺服控制静压、动静压轴承系统组成及工作原理

2.1.1轴承系统的结构组成

2.1.2轴承系统工作原理

2.2轴承系统物理力学模型

2.3流体润滑基本理论

2.3.1流体静力润滑形成的基本原理

2.3.2流体动力润滑形成的基本原理

2.3.3流体动静压混合油膜润滑形成的基本原理

2.4流体润滑的基本方程

2.4.1动鼍守恒方程——Navier-Stokes方程

2.4.2 Reynolds方程

2.5雷诺方程的数值解

2.5.1近似求解偏微分方程的网格形式

2.5.2雷诺方程的离散

2.5.3数值解法的求解步骤

2.5.4连续性方程

2.5.5边界条件的确定

2.5.6承载能力及摩擦阻力

2.5.7油膜等温计算

2.5.9等温假设情况下油膜性能计算流程分析

2.6雷诺方程解析解

2.6.1外部供压润滑机理

2.6.2油膜轴承的雷诺润滑方程

2.6.3油膜轴承的压力分布计算

2.6.4采用轴承的平均本征值方法求解轴承压力

2.6.5轴承承载性能分析

2.7 CFD法求解

2.7.1 CFD及FLUENT简介

2.7.2轴承网格划分和边界条件

2.7.3导入FLUENT进行计算

2.8实例分析

2.8.1已知条件

2.8.2数值计算结果及分析

2.8.3解析法计算结果分析

2.8.4 CFD计算结果分析

2.8.5三种计算方法对比

2.8.6油膜轴承各设计参数变化时的油膜压力分布的影响规律分析

2.9本章小结

3动静压油膜轴承温度场的研究与分析

3.1能量方程及其简化

3.2能量方程的离散

3.3能量方程的迭代解法及收敛准则

3.4节流器和油腔温度

3.4.1节流器内油的温度

3.4.2流量和油腔压力

3.4.3油腔温度场的计算

3.4.4油膜温度场的边界条件

3.5绝热流动及其数值解

3.5.1绝热流动雷诺方程及离散

3.5.2绝热流动的计算过程

3.5.3实例分析

3.6广义雷诺方程

3.7运用FLUENT软件计算油膜轴承温度场

3.8本章小结

4动力特性、稳定性及轴心轨迹的分析与研究

4.1油膜刚度和阻尼

4.2扰动压力的求解

4.3用有限差分法求解油膜刚度及阻尼系数

4.4刚度系数和阻尼系数求解方法之二——作图解析法

4.4.1刚度系数Kxx、Kyy、Kxy、Kyx的计算方法

4.4.2刚度系数Kxx、Kyy、Kxy、Kyx的计算结果

4.4.3阻尼系数Bxx、Byy、Bxy、Byx的计算方法

4.5轴心运动轨迹的研究

4.5.1动载荷下径向轴承的雷诺润滑方程计算

4.5.2动静压轴承主轴轴心运动轨迹计算流程

4.5.3算例分析

4.6本章小结

5静压轴承动、静态特性研究

5.1不同节流方式下的静压轴承静态承载性能研究

5.1.1节流液阻及设计参数

5.1.2各油腔压力pr的计算

5.1.3不同节流方式下的静压轴承承载能力及油膜刚度计算

5.1.4算例分析

5.1.5实验验证

5.2静压轴承在不同节流方式下的动态特性研究

5.2.1油膜轴承动态特性分析方法之一——流量平衡法

5.2.2静压轴承动态特性分析方法之二——线性化法

5.3小结

6液压伺服控制动静压油膜轴承动态特性分析

6.1单自由度液压伺服控制的静压轴承系统动态性能分析

6.1.1数学模型建立

6.1.2动态特性分析

6.2液压伺服控制的动静压轴承系统动态性能分析

6.2.1两自由度液压伺服控制的动静压轴承动态特性模型

6.2.2动态特性分析

6.3多自由度轴承转子系统力学模型及动态特性分析

6.3.1主轴转子系统力学模型

6.3.2液压伺服控制静压轴承系统数学模型

6.3.3液压伺服控制静压轴承转子系统动态特性分析

6.3.4液压伺服控制的动静压轴承系统数学模型

6.3.5液压伺服控制的动静压轴承转子系统动态特性分析

6.4本章小结

7结论及展望

致 谢

参考文献

附 录