动静压混合轴承设计及油膜承载能力分析

摘要

随着现代工业的发展，人们对旋转机械需求越来越趋向于高速和大功率，对轴承各方面的性能要求越来越高，因此出现了动静压混合轴承，它吸收了动压和静压轴承各自的优点，具有承载力高、刚度大、油膜阻尼大等特点。这种轴承适用于超高速磨削机床。但是到目前为止，其在结构设计、机构尺寸等方面还没有建立一套较为完整的设计方法，更没有比较统一的设计标准和技术规范，设计技术的不成熟而导致其应用具有局限性。另一方面，由于动静压混合轴承采用液压油，当在高速工况下工作时，发热量较大，随着润滑油温度的升高会导致油膜承载力下降，从而导致机床加工精度的降低。
　　本文通过参考动压轴承、静压轴承及动静压混合轴承的最新研究成果和基本理论，建立动静压混合轴承结构参数设计方法。借助于计算流体力学知识，采用计算机求解方法对动静压混合轴承进行仿真分析。首先以东北大学超高速磨削实验台主轴的液体动静压混合轴承为研究对象，应用GAMBIT对轴承油膜进行建模，划分网格，并设置边界条件。再通过导入FLUENT，对模型设置边界条件参数，经过迭代计算后，得到模型的压力场和温度场。
　　结果表明:从压力分布的云图可以看出，动静压混合轴承做高速旋转时，在油腔处存在明显的低压区，同时高压区分布在油腔靠外缘位置;随着转速不断的增加，压力不断上升，油膜承载力随之不断的增加。当速度达到一定时，进油口将发生倒流，压力的上升受到限制，油膜承载能力增加缓慢。从温度分布的云图可以看出，随着转速的升高，轴承中油膜的温度随之升高，但是温度梯度却在逐渐下降，均化作用明显。尤其是转速达到10000 r/min时，油膜的温度场分布已经相当均匀。
　　通过本文的研究，作者利用CFD技术对液体动静压混合轴承进行三维数值模拟的方法，计算结果能够有效反映轴承内的流动状态，弥补了液体动静压混合轴承试验方法中理论依据的不足，为超高速液体动静压混合轴承的设计与研制提供了依据。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 动静压混合轴承概述

1．1．1 概念

1．1．2 动静压混合轴承技术的发展及应用

1．2 超高速磨削主轴轴承技术

1．2．1 陶瓷轴承

1．2．2 磁悬浮轴承

1．2．3 气体静压轴承

1．2．4 液体动静压混合轴承

1．3 液体动静压混合轴承的工作方式

1．4 动静压混合轴承的研究现状

1．5 课题研究的意义和主要研究的内容

1．5．1 动静压混合轴承研究的意义

1．5．2 主要研究的内容

第2章 动静压混合轴承的设计计算

2．1 动静压混合轴承的结构形式

2．2 动静压混合轴承基本参数

2．2．1 载荷

2．2．2 轴承的转速

2．2．3 轴承的直径和长度

2．3 动静压混合轴承的结构设计

2．4 动静压混合轴承油腔的结构设计

2．5 动静压混合轴承的设计方法

2．6 本章小结

第3章 动静压混合轴承的理论分析

3．1 基本模型方程

3．1．1 油膜厚度方程

3．1．2 能量方程

3．1．3 粘温关系方程

3．1．4 润滑油的温升

3．2 动静压混合轴承的数学模型

3．2．1 理论分析

3．2．2 基本方程

3．3 雷诺方程及其无量纲差分形式

3．3．1 无量纲的雷诺方程

3．3．2 雷诺方程的差分形式

3．3．3 雷诺方程的边界条件

3．3．4 计算机辅助计算

3．3．5 流量连续方程的差分形式

3．4 动静压轴承的功率消耗

3．4．1 动静压轴承的摩擦功耗

3．4．2 供油系统的功率消耗

3．5 本章小结

第4章 动静压混合轴承油膜承载能力分析

4．1 动静压混合轴承的建模

4．1．1 几何模型的建立

4．1．2 GAMBIT网格划分

4．1．3 网格检查

4．1．4 边界条件类型的设置

4．2 导入FLUENT的后处理

4．2．1 定义材料性质

4．2．2 设置边界条件参数

4．2．3 设置旋转坐标系

4．3 求解

4．4 仿真结果与分析

4．4．1 压力场

4．4．2 温度场

4．5 偏心率对轴承承载能力的影响

4．5．1 数学模型的建立

4．5．2 程序的编制

4．5．3 仿真结果

4．6 本章小结

第5章 结论与展望

参考文献

致谢