高速重载静压推力轴承润滑性能预测研究

论文摘要

大尺度重型立式车床是中国装备制造业的代表性产品,被广泛应用于能源、交通、重型机械、航空、国防和船舶制造等国家的重要工业领域,静压推力轴承是重型数控加工设备的核心部件,其性能的优劣将直接影响其加工精度和操作效率。静压支承主要的特点是摩擦系数小、承载能力高、工作台启动力矩小,并且工作寿命较长。随着高速切削技术的快速发展,旋转机械越来越趋向于高速、高效、重载和高精度,同时也需要高精度、低功耗的轴承作为系统支承件。静压推力轴承的可靠性和使用寿命对整个机床的工作性能具有重大的影响,然而在高速重载工况下,力变形和热变形使间隙润滑油膜的形状变得十分复杂,致使油流状态、基本假设和边界条件都发生很大变化,难以用经典润滑理论的性能计算公式来精确预测高速重载条件下油膜的润滑性能,所以对静压推力轴承在高速重载条件下的润滑性能预测研究是十分必要的。本文以高速重载立式数控车床静压推力轴承为研究对象,根据实际尺寸建立环形腔结构静压推力轴承的三维模型,推导油腔的承载能力、油腔的压力、油腔的总功耗和油膜的温升等方程,根据静压技术和计算流体力学理论,应用Ansys cfx软件对间隙油膜温度场和压力场进行数值模拟,按照静压推力轴承实际工作的情况,计算不同转速下工作台和底座的对流换热系数。以工作台和底座的十二分之一模型作为仿真对象,依据摩擦学、传热学和弹塑性变形理论,采用Ansys Workbench软件把间隙润滑油膜的压力场和温度场作为体载荷,分别施加到工作台和底座的相应接触面上,施加约束和边界条件,得到不同转速下静压支承的热-力耦合变形。最后根据工作台和底座的总变形,给出实际工作中间隙油膜真实形状的预测模型,为以后油膜润滑机理的研究和变形问题的解决奠定良好基础。在齐重数控公司进行的5米立车工作台提速实验,采集不同转速下旋转工作台和底座的温度数据,把仿真结果与试验数据采集结果进行对比分析,验证仿真分析的准确性。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题的来源及研究的目的和意义
• 1.1.1 课题的来源
• 1.1.2 研究的目的和意义
• 1.2 国内外静压推力轴承的研究现状
• 1.3 主要研究内容
• 第2章 计算流体力学与液体静压润滑
• 2.1 引言
• 2.2 牛顿粘性流体定律
• 2.3 计算流体力学
• 2.3.1 计算流体力学的发展
• 2.3.2 流体润滑基本方程组
• 2.3.3 控制方程的求解问题
• 2.3.4 物理边界条件和初始条件
• 2.4 液体静压支承
• 2.4.1 液体静压支承润滑原理
• 2.4.2 液体静压润滑支承特性
• 2.5 本章小结
• 第3章 重型静压推力轴承温度场的数值预测研究
• 3.1 引言
• 3.2 对流换热与对流换热系数的计算
• 3.2.1 对流换热现象
• 3.2.2 对流换热过程的分类
• 3.2.3 影响对流换热的因素
• 3.2.4 对流换热系数的计算
• 3.3 ANSYS软件简介
• 3.4 静压支承温度场数值研究
• 3.4.1 导热微分方程的推导
• 3.4.2 初始条件和边界条件
• 3.5 工作台和底座的温度场数值研究
• 3.5.1 导入模型和网格划分
• 3.5.2 设置初始条件和边界条件
• 3.5.3 油膜温升理论计算
• 3.5.4 工作台和底座的温度场分析结果
• 3.6 本章小结
• 第4章 重型静压推力轴承变形场的数值预测研究
• 4.1 引言
• 4.2 热弹性力学的平衡微分方程
• 4.3 弹性力学的平衡微分方程
• 4.4 静压支承变形场计算
• 4.4.1 设置初始条件和边界条件
• 4.4.2 静压支承变形场结果分析
• 4.5 油膜润滑的预测模型
• 4.6 本章小结
• 第5章 试验验证研究
• 5.1 引言
• 5.2 试验装置
• 5.3 试验研究方法
• 5.3.1 检验关键部件
• 5.3.2 精调工作台底座
• 5.3.3 试验步骤
• 5.4 试验结果与数据分析
• 5.4.1 导轨的温度
• 5.4.2 底座各面的温度
• 5.5 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的学术论文
• 致谢