重型静压推力轴承力学性能及油膜态数值模拟研究

摘要

静压推力轴承是重型数控加工设备的主要部件，它的性能优劣直接影响设备的加工质量和运行效率。随着各种先进制造技术的快速发展，特别是高速切削技术的出现，对于加工设备的主轴转速要求越来越高。国产重型数控加工设备目前存在的主要问题是工作台转盘的旋转速度较国外同类产品低，生产效率低，加工精度差。如何提高大型数控加工设备工作台的转速、旋转精度、加工效率和加工精度，提高国际市场竞争力是目前非常迫切的任务之一。工作台转盘旋转速度和精度是由静压推力轴承性能的理论计算、设计、加工和装配等多种因素决定的。对于静压推力轴承多采取类比设计，没有进行系统的和较精确的数值计算，没有一个完整具有自主知识产权的优化设计程序和关键技术。由于国内大型零件机械加工精度达不到要求，使得静压轴承工作时摩擦副间的间隙不均匀，在高速重载的工况下局部产生干摩擦或边界润滑，导致静压轴承局部温升，油膜破裂，进而产生局部变形，使油垫的实际结构偏离理论设计模型，限制了转速。 为了探明大尺度恒流多油垫开式静压支承盘轴承的力学性能和油膜的压力状态、流动状态和温度分布情况，在黑龙江省科技攻关项目(GC05A512)“重型立式数控车床工作台静压支承轴承研究”和教育部博士点基金项目(20050214001)“重型数控机床自适应推力轴承的研究”的资助下，本文以大尺度(回转直径 D>10m)恒流多油垫开式静压支承盘为研究对象，基于计算流体动力学和润滑理论，对于扇形油腔的研究提出将该模型简化为环形平面间隙和矩形平面平板流动的假设，使得理论计算结果更符合实际流动情况，减小了理论计算结果的误差，对于圆形油腔的研究，提出等面积当量半径的概念，利用等面积圆的面积替代油垫大扇形的面积，简化了模型力学性能参数的推导。利用流体力学计算软件FLLIENT对油膜的压力状态、流动状态和温度场进行三维综合数值模拟分析，揭示了恒流和恒转速情况下圆形腔和扇形腔的腔面积和腔深对摩擦副的力学性能和油膜的压力状态、流动状态和温度场的影响规律。在10米立式数控车床上实测了油膜压力、油膜厚度和温度分布，通过试验验证理论计算和数值模拟所得结论的正确性，进而通过理论与试验相结合的方式探明了此类支承的摩擦学行为和失效机理，为此类支承的模型预报、仿真、设计和计算提供了一种行之有效的方法。

目录

文摘

英文文摘

声明

1绪论

1.1引言

1.2国内外研究现状

1.2.1力学性能的研究现状

1.2.2油膜态的研究现状

1.3研究的意义、内容和方法

1.4研究课题的来源

1.5小结

2重型静压推力轴承力学性能研究

2.1引言

2.2重型静压推力轴承润滑机理研究

2.2.1两固定平行平板间的流量

2.2.2两固定平行平板间有相对运动的流量

2.2.3圆台缝隙流量

2.2.4环形油腔平面油垫的流量

2.2.5离心力作用下环形油腔平面油垫的流量

2.3扇形腔多油垫定量供油静压推力轴承力学性能的基本方程和公式

2.3.1扇形腔的简化模型

2.3.2流量计算方程

2.3.3油膜厚度方程

2.3.4承载能力方程

2.3.5轴承刚度方程

2.3.6摩擦力方程

2.3.7摩擦功率方程

2.4圆形腔多油垫定量供油静压推力轴承力学性能的基本方程和公式

2.4.1等面积当量半径的概念

2.4.2流量计算方程

2.4.3油膜厚度方程

2.4.4承载能力方程

2.4.5轴承刚度方程

2.4.6摩擦力方程

2.4.7摩擦功率方程

2.5小结

3重型静压推力轴承油膜态数值模拟方法

3.1引言

3.2计算流体动力学基本方程

3.2.1质量守恒方程

3.2.2动量守恒方程

3.2.3能量守恒方程

3.2.4湍流基本方程

3.3通用控制方程的离散

3.3.1控制方程的离散化方法

3.3.2控制方程的离散格式

3.4控制方程的离散求解边界条件

3.5小结

4重型静压推力轴承油膜态数值模拟研究

4.1引言

4.1.1 FLUENT软件的基本结构及应用领域

4.1.2 FLUENT求解流程

4.1.3边界条件

4.1.4求解域的确定及边界条件赋值

4.1.5控制参数及迭代

4.2圆形腔多油垫定量供油静压推力轴承油膜态数值模拟

4.2.1压力场模拟

4.2.2流速场模拟

4.2.3温度场模拟

4.3扇形腔多油垫定量供油静压推力轴承油膜态数值模拟

4.3.1压力场模拟

4.3.2流速场模拟

4.3.3温度场模拟

4.4小结

5重型静压推力轴承油膜态试验研究

5.1引言

5.2试验内容

5.3试验装置

5.3.1轴承系统

5.3.2测试系统

5.3.3传感器

5.3.4传感器的安装

5.3.5传感器的标定

5.3.6数据采集与分析系统

5.4测试方法

5.5试验结果与分析

5.5.1圆形腔数据结果与分析

5.5.2扇形腔数据结果与分析

5.6 小结

结论

参考文献

攻读学位期间发表的学术论文

致谢

个人简历