可控节流液体静压主轴回转精度精确仿真及其规律研究

摘要

主轴回转精度直接影响机床加工精度，是评价机床加工性能的重要指标。可控节流液体静压轴承作为主轴的支承部件，由于其承载能力大、刚度高以及节流特性可调可控等特点，可以极大地提高主轴的回转精度，已有学者对其进行了深入研究。由于润滑油具有粘性，实际工作中摩擦和剪切作用会使油膜温度升高，进而导致主轴轴瓦受热变形，该变形量与油膜厚度在同一量级，会严重影响主轴的回转精度，但目前针对主轴回转精度的研究均忽略了轴承温升问题，要实现主轴回转精度的精确预测，该问题亟需解决。论文主要工作如下：　　(1)根据流体润滑理论、传热学理论与热弹性变形理论，将轴承流体域和固体域联立求解，建立可计算轴承温度场和热变形的可控节流液体静压轴承流固热耦合数学模型，提出可反映轴承压力场、温度场和热变形相互影响关系的轴承流固热耦合仿真算法，实现轴承温度场和热变形的准确计算。　　(2)基于建立的可控节流液体静压轴承流固热耦合数学模型和提出的相应算法，定量仿真不同转速和偏心条件下轴承的温度场和热变形，揭示不同主轴转速和偏心条件下轴承温度场和热变形的变化规律。研究表明：主轴转速对轴承热变形影响极大，当转速增加到4000r/min时，轴承的径向热变形达到油膜厚度的27%。　　(3)在考虑轴承温升条件下，通过主轴轴心波动半径表征主轴回转精度，建立可控节流液体静压主轴回转精度精确仿真模型，提出计入轴承温升的主轴回转精度精确仿真算法，实现符合工程实际的主轴回转精度的精确仿真。通过与忽略轴承温升时主轴回转精度仿真结果进行比较，揭示在轴承温升条件下研究主轴回转精度的重要性。　　(4)基于建立的可控节流液体静压主轴回转精度精确仿真模型和提出的相应算法，研究轴承温升条件下不同轴颈圆度误差幅值和频率对主轴回转精度的影响规律。研究结果表明：轴颈圆度误差偶数次频主轴的回转精度明显优于奇数次频，且轴颈圆度误差频率为1波/周时主轴回转精度最差；轴颈圆度误差幅值增大导致主轴回转精度降低。　　(5)在可控节流液体静压主轴样机的基础上，搭建可控节流液体静压主轴回转精度测试实验台，通过测试主轴在不同供油压力和转速条件下的回转精度，与相同条件下的仿真结果进行比较，验证本文精确仿真模型和算法的有效性。　　本文考虑了轴承温升问题对主轴回转精度的影响，实现了对可控节流液体静压主轴回转精度的精确仿真，提高了主轴回转精度理论研究的准确性。

目录

声明

第 1 章 绪 论

1.1 研究背景及意义

1.1.1 课题来源

1.1.2 研究背景

1.1.3 研究意义

1.2 液体静压主轴回转精度研究现状

1.2.1 液体静压轴承研究现状

1.2.2 液体静压轴承节流特性对主轴回转精度的影响

1.2.3 轴颈圆度误差对主轴回转精度的影响

1.3 液体静压轴承温升研究现状

1.4 本文研究的主要内容

第 2 章 可控节流液体静压轴承流固热基础模型

2.1 引言

2.2 可控节流液体静压轴承油膜压力场数学模型

2.2.1 雷诺方程及其数值解

2.2.2 流量连续性方程及其数值解

2.3 可控节流液体静压轴承油膜温度场数学模型

2.3.1 能量方程及其简化

2.3.2 能量方程的离散

2.4 可控节流液体静压轴承主轴轴瓦温度场数学模型

2.4.1 导热微分方程及其数值解

2.4.2 牛顿冷却方程及求解

2.5 可控节流液体静压轴承主轴轴瓦热变形数学模型

2.6 本章小结

第 3 章 基于流固热耦合的热平衡温度场及热变形仿真分析

3.1 引言

3.2 可控节流液体静压轴承流固热耦合算法

3.2.1 可控节流液体静压轴承油膜厚度修正

3.2.2 可控节流液体静压轴承流固热耦合计算步骤

3.3 可控节流液体静压轴承流固热耦合温度场及热变形分析

3.3.1 可控节流液体静压轴承油膜温度场分析

3.3.2 可控节流液体静压轴承轴瓦温度场分析

3.3.3 可控节流液体静压轴承主轴温度场分析

3.3.4 可控节流液体静压轴承轴瓦热变形分析

3.3.5 可控节流液体静压轴承主轴热变形分析

3.6 本章小结

第 4 章 可控节流液体静压主轴回转精度精确仿真及对比研究

4.1 引言

4.2 可控节流液体静压主轴回转精度精确仿真模型及算法

4.2.1 可控节流液体静压主轴回转精度精确仿真模型

4.2.2 可控节流液体静压主轴回转精度精确仿真计算步骤

4.3 精确仿真主要参数对主轴回转精度的影响规律

4.3.1 精确仿真动平衡精度对主轴回转精度的影响规律

4.3.2 精确仿真供油压力对主轴回转精度的影响规律

4.3.3 精确仿真转速对主轴回转精度的影响规律

4.4 主轴回转精度精确仿真与非精确仿真对比研究

4.4.1 主轴转速不同时精确仿真与非精确仿真对比研究

4.4.2 主轴动平衡精度不同时精确仿真与非精确仿真对比研究

4.4.3 主轴供油压力不同时精确仿真与非精确仿真对比研究

4.5 本章小结

第 5 章 轴颈圆度误差对可控节流液体静压主轴回转精度影响规律研究

5.1 引言

5.2 计入轴颈圆度误差后轴承油膜厚度修正

5.3 精确仿真轴颈圆度误差频率对主轴回转精度的影响

5.4 精确仿真轴颈圆度误差幅值对主轴回转精度的影响

5.3.1 精确仿真偶数次频轴颈圆度误差幅值对主轴回转精度的影响

5.3.2 精确仿真奇数次频轴颈圆度误差幅值对主轴回转精度的影响

5.5 本章小结

第 6 章 可控节流液体静压主轴回转精度实验研究

6.1 引言

6.2 实验目的与内容

6.3 实验设备与仪器

6.4 实验原理与步骤

6.4.1 实验原理

6.4.2 实验步骤

6.5 实验测试与仿真结果对比分析

6.5.1 主轴轴心运动轨迹对比分析

6.5.2 主轴回转精度对比分析

6.6 本章小结

结论与展望

参考文献

致 谢

附录A（攻读硕士学位期间所发表的学术论文）

附录B（攻读硕士学位期间所参加的科研项目）

附录 C (攻读硕士学位期间所获得的国家发明专利)