超高速磨削实验机床液体动静压混合轴承的热态特性研究

论文摘要

超高速磨削是一项先进的磨粒加工技术,可以显著提高生产效率和表面加工质量,是当前磨削技术的发展趋势。超高速磨削主轴技术是超高速磨削的关键技术之一,超高速磨削机床运转时主轴要求达到很高的回转精度,关键在于所采用的精密轴承。液体动静压轴承有较高的刚度和回转精度,适用于超高速磨削机床。但是,由于液体动静压轴承采用液压油,当在高速下工作时,发热量较大,随着系统温度的升高,零件的热变形变大,导致机床加工精度降低,系统的热态特性变差。另一方面,润滑油温度的升高会导致粘度的下降,从而导致油膜承载能力下降,严重时会导致轴承失效。迄今为止,人们对超高速磨削机床的液体动静压混合轴承的热态特性仍缺乏足够的认识,因而极大地限制了液体动静压混合轴承的有效应用。影响主轴系统工作精度的关键因素并不是温升,而是温度场的分布。如果系统的温升较高,但只要温度梯度不大,系统各点的温差不大,那么因温升引起的误差也不会很大。因此,研究动静压混合轴承中温度场的分布成为热态特性研究中的重点。本文建立了求解液体动静压混合轴承温度场分布的数学模型。模型包括广义Reynolds方程、三维能量方程、固体热传导方程、油膜厚度方程和粘温关系。分析了液体动静压混合轴承的发热原理,以及计算发热量的方法,确定液体动静压混合轴承热态特性分析方法。在理论分析的基础上,利用商用流体仿真软件FLUENT进行数值模拟,获得了轴承油膜的温度场分布。建立了油膜的有限元模型,对不同转速下油膜中温度场的分布情况做了研究。得到了一些有意义的结论。针对流体与固体之间的热交换问题,利用ANSYS软件分析了动静压轴承的温度场分布。对东北大学超高速磨削实验台稳定运转时轴承的温升情况进行了实验研究。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 超高速磨削技术发展状况
• 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应用
• 1.4 液体动静压混合轴承温升问题的研究现状
• 1.5 课题的研究意义和主要研究内容
• 1.5.1 研究意义
• 1.5.2 研究内容
• 第二章 超高速磨削机床液体动静压主轴系统
• 2.1 超高速磨削实验台概述
• 2.1.1 主轴系统
• 2.1.2 CBN砂轮
• 2.1.3 润滑及冷却系统
• 2.2 液体动静压混合轴承的结构设计
• 2.3 本章小结
• 第三章 动静压混合轴承热态特性的理论分析
• 3.1 轴承温度分布概况
• 3.2 数学模型的建立
• 3.2.1 广义Reynolds方程
• 3.2.2 油膜厚度方程
• 3.2.3 粘温关系方程
• 3.2.4 能量方程
• 3.2.5 热传导方程及边界条件
• 3.3 动静压轴承的功率消耗
• 3.3.1 动静压轴承的摩擦功耗
• 3.3.2 供油系统的功率消耗
• 3.3.3 润滑油的温升
• 3.4 本章小结
• 第四章 基于FLUENT的油膜温度场分析
• 4.1 FLUENT软件概述
• 4.1.1 FLUENT软件的构成
• 4.1.2 FLUENT软件的求解步骤
• 4.1.3 网格的生成及网格类型的选择
• 4.1.4 FLUENT的解算器及解的格式
• 4.1.5 边界条件的设定
• 4.2 油膜温度场的计算
• 4.2.1 几何模型的建立
• 4.2.2 网格划分
• 4.2.3 边界条件的确定及施加载荷
• 4.3 油膜的温度分布特征
• 4.4 本章小结
• 第五章 动静压混合轴承热态特性的有限元分析
• 5.1 ANSYS在传热学中的应用
• 5.1.1 ANSYS热分析的基本原理
• 5.1.2 ANSYS热分析基本步骤
• 5.2 动静压轴承的有限元模型
• 5.2.1 创建几何模型
• 5.2.2 定义材料属性
• 5.2.3 定义单元类型和网格划分
• 5.3 动静压轴承热载荷的计算及边界条件
• 5.3.1 热流密度
• 5.3.2 对流换热系数
• 5.4 动静压轴承热态特性分析结果
• 5.5 本章小结
• 第六章 实验研究
• 6.1 引言
• 6.2 动静压轴承温升的实验研究
• 6.2.1 实验装置
• 6.2.2 实验测量
• 6.2.3 理论计算与实验结果的对比分析
• 6.3 本章小结
• 结论与展望
• 参考文献
• 致谢