精密机床静压导轨系统的动态性能分析

论文摘要

液体静压导轨、静压丝杠、静压轴承都属于静压支承。由于静压导轨有摩擦系数小、具有良好的润滑性和吸振性、相对运动速度对刚度影响小、无“爬行”等优点,能满足高精度、重载荷及各种速度范围机床的要求,因此近些年来,液体静压导轨在机床行业中得到了广泛的应用,发展前景十分乐观。本文所研究的静压导轨主要应用于精密机床,采用了薄膜节流不等面积对置油腔的闭式静压导轨结构。通过计算和分析,选取合适的系统参数,以满足机床对静压导轨的高精度和快响应的要求。在理论上对液体润滑理论进行了分析,并研究了液体静压导轨的承载能力和油膜刚度,对静压导轨系统的动态特性加深了理解。通过计算相关参数,建立静压导轨系统的传递函数,然后利用劳斯判据判断系统的稳定性。对静压导轨系统在不同载荷作用下的动态响应进行理论分析,推导了静压导轨系统的动态微分方程组,采用MATLAB/Simulink仿真软件构建系统的数学模型,通过仿真分析得到油膜厚度变化曲线、油腔压力变化曲线及薄膜片的位移曲线。对不同节流器的性能进行对比分析,由于系统的振动会影响薄膜节流器的控制精度与使用寿命,利用有限元分析软件ANSYS,建立薄膜片的有限元模型,对薄膜片进行模态分析,得到其固有频率和振型图。提出一种新的节流器,对静压导轨动态响应的提高有很大帮助。本文分析得到的静压导轨动态特性结论,为静压导轨在精密机床中的应用和推广提供理论参考,并利用仿真软件进行动态仿真分析,为进一步的实验研究做好铺垫,也为工程实践应用提供一些帮助。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题研究的背景和意义
• 1.2 国内外液体静压导轨在机床领域的研究及应用情况
• 1.3 静压导轨的动态特性
• 1.3.1 阶跃载荷作用下的过渡特性
• 1.3.2 正弦交变载荷作用下的频率特性
• 1.3.3 系统稳定性
• 1.4 课题来源及研究内容
• 1.4.1 课题来源
• 1.4.2 本文的研究内容
• 第2章 静压导轨的动态稳定性理论分析
• 2.1 液体润滑的理论基础
• 2.2 静压导轨的承载能力和油膜刚度
• 2.2.1 定压节流系统的基本关系式
• 2.2.2 对置油腔静压导轨的承载能力
• 2.2.3 静压导轨的油膜刚度
• 2.3 薄膜反馈节流静压导轨的工作原理
• 2.4 系统传递函数的建立
• 2.5 动态稳定性的判定
• 第3章 静压导轨动态特性的建模仿真与分析
• 3.1 阶跃载荷作用下过渡特性的相关概念
• 3.1.1 静压导轨的工作稳定性
• 3.1.2 阶跃载荷
• 3.1.3 在阶跃载荷作用的过渡过程
• 3.2 静压导轨系统的运动微分方程组
• 3.2.1 导轨的运动方程
• 3.2.2 节流器的运动方程
• 3.2.3 流入导轨油腔的流量
• 3.2.4 流出节流器的流量
• 3.2.5 流量的连续性方程
• 3.2.6 系统的运动微分方程
• 3.3 求解算法的确定
• 3.4 阶跃载荷作用下的仿真结果与分析
• 3.4.1 薄膜厚度δ对过渡过程的影响
• 3.4.2 油液粘度对过渡过程的影响
• 3.4.3 系统压缩系数对过渡过程的影响
• 3.5 在正弦载荷作用下频率特性的相关概念
• 3.5.1 正弦载荷
• 3.5.2 在正弦载荷作用下的频率特性
• 3.6 静压导轨系统的传递函数及“振幅-频率”特性方程
• 3.7 正弦载荷作用下的仿真结果与分析
• 3.7.1 液压油粘度对频率特性的影响
• 3.7.2 系统压缩系数对频率特性的影响
• 3.8 静压导轨动态性能的改善措施
• 3.8.1 排除系统中的空气
• 3.8.2 减少“敏感油路”的容积变化
• 3.8.3 调整导轨的稳定性
• 3.8.4 载荷频率避开特征频率
• 第4章 节流器对系统的影响和一种新节流器
• 4.1 液体静压导轨的节流器
• 4.1.1 固定节流器
• 4.1.2 可变节流器
• 4.2 薄膜反馈节流器的振动
• 4.2.1 产生振动的原因
• 4.2.2 消除振动的措施
• 4.3 模态分析理论基础
• 4.4 薄膜节流器的薄膜模态分析
• 4.4.1 薄膜模型的建立
• 4.4.2 选择材料及网格单元划分
• 4.4.3 薄膜模态计算结果分析
• 4.5 一种新节流器
• 第5章 结论与展望
• 5.1 结论
• 5.2 展望
• 参考文献
• 致谢