液体静压转台系统油膜工作性能分析

论文摘要

重载、大型、高速、精密、自动化、多功能的加工机床具有尺寸大、重量大、精度高等特点,是未来机床的发展趋势,其对结构、环境、控制等都提出了更高的要求。应用流体润滑技术的静压机床中,油膜的工作性能的优劣直接影响到整个机床运行的可靠性、寿命和经济指标。本文以液体静压转台系统为研究对象,对油膜的工作性能进行了分析。建立了模拟液体静压转台内部三维流动的数学模型及边界条件,利用CFD原理,选用层流模型,数值研究了粘度和温—粘、压—粘关系对粘度的改变、圆形油腔几何特征对油膜工作性能的影响,并对比分析了牛顿流体和非牛顿流体工作性能的不同。具体内容为:（1）分析计算了润滑油粘度对液体静压转台系统承载力及刚度的影响。在工作环境、油腔的几何尺寸等不变的条件下,随着润滑油粘度的增加,液体静压转台系统承载能力及刚度都逐渐增大;随着润滑油粘度的增加,油腔内的温升也相应增加。（2）引入温—粘特性,分析了温度对液体静压转台系统承载力及刚度的影响。温-粘特性在很大程度上影响油腔内的承载能力、刚度和温升,在数值计算及工程设计中,不能忽略环境温度及液压机床自身摩擦生热对润滑油粘度的影响。（3）引入压—粘特性,分析了压力对润滑油粘度、液体静压转台系统的承载力及刚度的影响。压-粘特性会增大润滑油的粘度,进而提高油膜的承载能力和刚度,尤其在重载、高压的条件下,不能忽略压力对润滑油特性的影响。（4）分析了圆形油腔几何特征对液体静压转台系统工作性能的影响。减小油膜厚度和油腔深度、增加封油边宽度或扩大油腔内径等途径可以增大油腔承载能力;油腔深度较小的条件下,对上部工作转台的冲击作用会影响加工的稳定性。应该综合考虑承载能力、刚度以及工作台的稳定性进行圆形油腔几何尺寸的选择。（5）对比计算了不同转速条件下,牛顿流体和非牛顿流体的润滑性能;分析计算了高剪切率条件下,牛顿流体与非牛顿流体工作性能的不同。与牛顿流体相比较,具有“剪切稀释”特性的非牛顿流体降低油腔的承载能力且稳定性较差,具有“剪切稠化”特性的非牛顿流体则与之相反;高速条件下,粘度大的润滑油或具有剪切稠化性质的润滑油具有更好工作性能的结论。研究结果表明,在液体静压支承系统的研究和设计中,温—粘效应和压—粘效应的影响十分显著,不能忽略。可以通过改变油腔的几何特征增大油腔的承载能力及油膜刚度,以免除润滑油选择的局限性。同时,在润滑油的选择中,应确定润滑油的流变特性,保证油膜的工作性能。本文的研究结果对液体静压支承系统的油腔几何特征的设计及润滑油的选择有重要指导意义。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 目录
• 第1章 绪论
• 1.1 本文的研究背景
• 1.2 液体静压支承系统研究历史与现状
• 1.2.1 流体润滑理论的发展
• 1.2.2 润滑性能的影响因素
• 1.2.3 流场特征对工作性能的影响
• 1.3 本文的研究内容
• 1.4 课题来源
• 第2章 数值方法介绍与计算流体力学在液体静压支承系统中的应用
• 2.1 引言
• 2.2 数值方法介绍
• 2.2.1 有限元法
• 2.2.2 有限差分法
• 2.2.3 有限体积法
• 2.3 计算流体力学概述及其在液体静压支承系统中的应用
• 2.3.1 计算流体力学概述
• 2.3.2 计算流体力学在液体静压支承系统中的应用
• 2.4 本章小结
• 第3章 粘度对液体静压转台系统工作性能影响的数值研究
• 3.1 引言
• 3.2 液体静压转台系统计算模型的建立
• 3.2.1 几何模型的建立
• 3.2.2 基本假设及计算条件
• 3.2.3 数学模型
• 3.3 粘度改变对油腔工作性能影响的数值模拟
• 3.3.1 计算中采用的物性参数
• 3.3.2 计算结果及分析
• 3.4 温—粘效应对液体静压转台系统工作性能的影响
• 3.4.1 温—粘关系原理
• 3.4.2 温粘系数的影响
• 3.4.3 环境温度改变对工作性能的影响
• 3.5 压—粘效应对液体静压转台系统工作性能的影响
• 3.5.1 压—粘关系原理及计算模型
• 3.5.2 不同承载条件下的工作性能计算
• 3.5.3 压—粘关系系数改变对工作性能的影响
• 3.6 同时考虑温—粘及压—粘关系式的数值计算
• 3.7 本章小结
• 第4章 圆形油腔几何特征对工作性能的影响
• 4.1 引言
• 4.2 液体静压转台系统计算模型的建立
• 4.2.1 几何模型的建立
• 4.2.2 基本假设及计算条件
• 4.3 计算结果及分析
• 4.3.1 油膜厚度改变对油腔工作性能的影响
• 4.3.2 封油边宽度变化对油腔工作性能的影响
• 4.3.3 油腔内径变化对油腔工作性能的影响
• 4.3.4 深度变化对油腔工作性能的影响
• 4.4 本章小结
• 第5章 高中低速条件下油腔整体工作性能分析
• 5.1 引言
• 5.2 油腔整体模型建立及相关参数选择
• 5.2.1 牛顿流体与非牛顿流体概述
• 5.2.2 计算模型的建立及物性参数选取
• 5.3 计算结果及分析
• 5.3.1 油膜厚度方向流场参数分析
• 5.3.2 油腔直径方向流场参数分析
• 5.4 本章小结
• 结论与展望
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间所发表的学术论文
• 致谢