高速曲轴磨床液体静压轴承设计与特性分析

摘要

液体静压支承运动副具有摩擦功耗小、承载力大、支承刚度高、运动平稳等优点，因此在高端制造装备中得到广泛应用。本文针对曲轴磨床高速磨削的特点，将原先支撑主轴的滚动轴承改进为液体静压轴承，设计出轴承的结构参数方案，并对轴承的静动态特性进行仿真分析。
　　首先，分析了液体静压轴承的基本结构和工作原理，并在研究了 CBN曲轴磨床高速磨削特点的基础上，阐述了支撑主轴液体静压轴承的主要性能指标和设计要求。通过上述分析，设计出曲轴磨床静压轴承的总体方案，并对磨床主轴上前后轴承的具体结构参数进行了分析计算。
　　然后，根据液体静压轴承的润滑机理推导出轴承内部流场的控制方程。考虑到轴承在高速运转时的空穴效应，建立基于改进的Elrod算法的空穴数学模型，该算法使用JFO边界条件将油膜完整区和空穴区的雷诺方程进行了统一，得到了求解油膜特性的优化算法。采用有限差分的方法并结合流量连续性方程，计算出曲轴磨床静压轴承的油膜压力分布，进而得到轴承的油膜刚度和阻尼特性。
　　接着，通过编写MATLAB程序计算了在不同主轴偏心、不同转速、不同节流系数以及不同轴承长宽比下小孔节流液体静压轴承的油膜承载力、油膜刚度和阻尼的变化情况，分析出他们对主轴系统的稳定性和曲轴磨削精度的影响。
　　最后，分析了液体静压轴承高速运转时油膜温度变化对轴承性能的影响。通过建立轴承油膜的三维几何模型，并运用流体分析软件 FLUENT计算出主轴转速和供油压力对轴承油膜温度分布的影响。在上述温度场分析的基础上，设计了一种新型的液体静压轴承冷却系统。

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1 绪 论

1.1 课题来源

1.2研究背景与意义

1.3液体静压支承的原理与特点

1.4国内外研究现状

1.5本课题研究内容

2 曲轴磨床静压轴承的设计

2.1曲轴磨床高速磨削的特点

2.2曲轴磨床主轴支承系统的性能要求

2.3曲轴磨床静压轴承总体结构方案

2.4曲轴磨床静压轴承具体参数设计

2.5本章小结

3 考虑空穴的曲轴磨床静压轴承数学建模及求解

3.1液体静压轴承的润滑机理

3.2考虑空穴效应的液体静压轴承油膜数学模型的建立

3.3油膜数学模型的求解

3.4本章小结

4 曲轴磨床静压轴承油膜静动态特性分析

4.1 MATLAB软件在求解轴承油膜特性中的应用

4.2算法可行性验证

4.3曲轴磨床静压轴承油膜静态特性分析

4.4曲轴磨床静压轴承油膜动态特性分析

4.5本章小结

5 曲轴磨床静压轴承的温升分析与轴承方案改进

5.1 FLUENT软件介绍

5.2 FLUENT计算求解

5.3油膜温度场分析

5.4轴承冷却系统的设计

5.5本章小结

总结与展望

致谢

参考文献

附录 攻读学位期间所取得的研究成果