大型重载液体静压转台承载特性及流固热耦合规律研究

摘要

大型重载液体静压转台是重型立式机床的核心功能部件，由于具有高承载能力、高刚度、无磨损、长寿命等显著优点，在卫星大型铝合金件、核电高压泵体、大型阀门阀芯、风电基座等大型核心零件加工中具有广泛用途。相比于小型液体静压转台，大型重载液体静压转台的直径通常达8-12m，而油膜厚度仅0.15mm左右，尺寸效应带来的力热变形与油膜厚度的比值显著增大，对其承载特性影响明显，同时流固热耦合效应也严重影响其运行平稳性和加工精度。与发达国家比较，我国自主生产的大型重载液体静压转台不同程度地存在运行平稳性差、加工精度低，静压导轨易发生刮擦事故等问题。为解决上述问题，本文深入研究了大型重载液体静压转台的承载特性及其流固热耦合规律，主要研究内容如下:
　　(1)系统推导并建立大型重载液体静压转台固定边界油膜承载特性解析计算方法:针对均载工况，大型重载液体静压转台传统设计中，承载特性计算未考虑离心力影响的问题，建立计入离心力影响的油膜承载特性数学模型，并提出离心力影响因子的概念;针对固定偏载工况，提出了固定偏载液体静压转台承载特性的当量油膜厚度解析算法。基于固定边界油膜承载特性解析计算方法，分别研究均载和固定偏载工况下，固定边界油膜的承载特性受工作参数的影响规律。
　　(2)针对装夹偏载运行工况，创新性地提出大型重载液体静压转台可动边界油膜承载特性动网格计算方法。该方法采用UDF自定义程序实现对偏载液体静压转台运行时油膜形态变化过程的模拟;并将转速加载到各运动单元，将油膜旋转动边界转换为静止边界以避免转台旋转引起的油膜网格畸变;利用弹簧光顺模型更新因转台倾斜方向改变引起的油膜网格挤压变形。基于该算法，对偏载静压转台可动边界油膜进行仿真分析，研究其承载特性受工作参数的影响规律。
　　(3)通过建立大型重载液体静压转台的流固热耦合模型，将Fluent软件中得到的油膜压力场和温度场计算结果作为载荷加载到Workbench的液体静压转台固体结构模型中，从而实现大型重载液体静压转台流固热耦合变形计算。采用大型重载液体静压转台流固热耦合变形计算方法，研究上下两静压导轨变形场对油膜厚度的影响规律，对流固热耦合模型进行简化，并进一步研究均载及偏载工况下，主要工作参数对液体静压转台、导轨变形以及最小油膜厚度的影响规律。
　　(4)针对大型重载液体静压转台流固热耦合变形使转台的运行平稳性和加工精度降低，甚至发生刮擦事故的工程难题，提出大型重载液体静压转台流固热耦合变形的控制策略:①提高摩擦副表面的轮廓精度和表面光洁度;②转台导轨运动面预变形补偿;③优化转台结构参数，增强转台结构刚度，减小力热变形;④油膜厚度在线监测与补偿系统。通过对比分析控制前后的导轨变形以及生产实践验证大型重载液体静压转台流固热变形控制策略的有效性。
　　(5)建立大型重载液体静压转台实验台系统，分别对固定边界油膜承载特性及可动边界油膜承载特性进行实验研究。通过试验验证油膜厚度在线监测及补偿系统对能油膜厚度监测、控制的有效性。通过对比实验数据与理论计算结果，验证固定边界油膜承载特性解析计算方法以及可动边界油膜承载特性动网格计算方法的正确性和有效性，为大型重载液体静压转台的设计提供理论依据。

目录

声明

摘要

插图索引

附表索引

符号表

第1章 绪论

1．1 研究背景及意义

1．1．1 研究背景

1．1．2 研究意义

1．2 液体静压转台研究及应用现状

1．2．1 液体静压转台承载特性研究现状

1．2．2 液体静压转台流固热耦合研究现状

1．2．3 液体静压转台流固热耦合变形控制策略研究现状

1．2．4 液体静压转台应用发展现状

1．2．5 有待解决的问题

1．3 本文研究的主要内容

第2章 大型重载液体静压转台固定边界的油膜承载特性研究

2．1 引言

2．2 均载液体静压转台承载特性解析算法

2．2．1 平行平板间缝隙的流量

2．2．2 离心力作用下的圆形油腔平面油垫

2．2．3 离心力作用下的环形单腔平面油垫

2．2．4 离心力作用下的扇形油腔平面油垫

2．3 固定偏载液体静压转台承载特性的当量油膜厚度解析算法

2．3．1 微元积分计算法

2．3．2 当量油膜厚度计算法

2．3．3 两种方法的比较

2．4 均载液体静压转台承载特性受工作参数影响规律

2．4．1 油膜厚度对油腔压强、油膜承载力及刚度的影响

2．4．2 润滑油流量对油腔压强、油膜承载力及刚度的影响

2．4．3 转速对油腔压强、油膜承载力及离心力影响因子的影响

2．5 固定偏载液体静压转台承载特性受工作参数影响规律

2．5．1 倾斜位移率对各油垫的油膜厚度、油腔压强的影响

2．5．2 倾斜位移率对油膜承载力、倾覆力矩及刚度的影响

2．5．3 润滑油流量对油膜承载力、倾覆力矩及刚度的影响

2．5．4 转速对油膜承载力、倾覆力矩及刚度的影响

2．6 本章小结

第3章 大型重载液体静压转台可动边界的油膜承载特性动网格计算

3．1 引言

3．2 动网格计算方法

3．2．1 油膜润滑的瞬态计算

3．2．2 转台运动边界控制

3．2．3 弹簧光顺动网格模型

3．2．4 克服网格扭曲的方法

3．2．5 承载力和倾覆力矩的计算

3．2．6 动网格计算方法算例

3．3 动网格计算方法实验验证

3．4 偏载可动边界油膜承载特性受工作参数的影响规律

3．4．1 倾斜位移率对油膜承载力及倾覆力矩的影响

3．4．2 润滑油流量对油膜承载力及倾覆力矩的影响

3．4．3 转速对倾覆力矩的影响

3．5 本章小结

第4章 大型重载液体静压转台的流固热耦合规律研究

4．1 引言

4．2 液体静压转台流固热耦合计算相关理论

4．2．1 线性静力学分析理论

4．2．2 热变形理论

4．2．3 流固耦合计算理论

4．3 流固热耦合条件下液体静压转台变形场计算

4．3．1 流固热单向耦合计算流程

4．3．2 流固热耦合模型

4．3．3 静压转台流固热耦合变形场计算

4．4 基于流固热耦合的均载静压转台变形受工作参数影响规律

4．4．1 润滑油温度对静压转台变形的影响分析

4．4．2 转台中心间隙对静压转台变形的影响分析

4．4．3 润滑油流量对静压转台变形的影响分析

4．5 基于流固热耦合的偏载静压转台变形受工作参数的影响规律

4．5．1 倾斜位移率对最小油膜厚度的影响分析

4．5．2 润滑油温度对最小油膜厚度的影响分析

4．5．3 转台中心间隙对最小油膜厚度的影响分析

4．5．4 润滑油流量对最小油膜厚度的影响分析

4．6 本章小结

第5章 大型重载液体静压转台流固热耦合变形的控制策略研究

5．1 引言

5．2 提高摩擦副表面的轮廓精度及表面光洁度

5．2．1 提高平面度精度

5．2．2 提高摩擦副表面光洁度

5．3 转台导轨运动面预变形补偿

5．3．1 预定载荷作用下静压导轨的变形计算

5．3．2 转台导轨运动面预变形补偿

5．3．3 预变形补偿前后效果对比

5．4 优化转台结构参数、增强结构刚度、减小力热变形

5．4．1 优化设计转台结构和截面形状

5．4．2 优化结构前后效果对比

5．5 油膜厚度在线监测及补偿

5．5．1 油膜厚度在线监测及补偿原理

5．5．2 油膜厚度监测及补偿系统

5．5．3 传感器及其布置

5．5．4 应用实例

5．6 本章小结

第6章 大型重载静压转台承载特性实验研究

6．1 引言

6．2 实验目的与实验内容

6．3 实验台系统

6．4 实验方案与实验步骤

6．4．1 实验方案

6．4．2 实验步骤

6．5 监测与控制系统的有效性验证

6．5．1 对油膜厚度调控的有效性

6．5．2 对转台运行安全保护的有效性

6．6 固定边界油膜承载特性实验

6．6．1 定载荷条件下实验数据分析

6．6．2 定流量条件下实验数据分析

6．7 可动边界油膜承载特性实验

6．8 本章小结

结论与展望

参考文献

致谢

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