發(fā)布時(shí)間：2020-10-16 12:54

　　 液體靜壓支承在工作時(shí)具有承載力大、近零摩擦、無(wú)磨損、效率高、運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)、能夠有效隔離振動(dòng)傳遞等優(yōu)點(diǎn),且工程適應(yīng)性好,較好地滿足了重型及精密加工制造裝備對(duì)運(yùn)動(dòng)支承的性能要求,成為高端制造裝備實(shí)現(xiàn)高精度、高穩(wěn)定性的有效手段。一直以來(lái),研究者們對(duì)液體靜壓支承系統(tǒng)的支承特性及油膜內(nèi)部潤(rùn)滑機(jī)制的研究較為缺乏,使得液體靜壓支承技術(shù)的基礎(chǔ)研究與實(shí)際工程之間存在一定距離,迫切需要開(kāi)展相關(guān)領(lǐng)域的研究。本文以液體靜壓支承系統(tǒng)的一個(gè)重要分支——液體靜壓推力軸承為對(duì)象,旨在研究軸承油膜動(dòng)靜態(tài)特性的影響機(jī)理。首先,系統(tǒng)的研究了各種油腔結(jié)構(gòu)(圓形、環(huán)形和扇形)的推力軸承在牛頓流體潤(rùn)滑下的動(dòng)靜態(tài)特性;其次,分析了潤(rùn)滑劑非牛頓性對(duì)軸承特性的影響規(guī)律;再次,從軸承傾斜、表面微結(jié)構(gòu)和軸承表面受熱變形等三個(gè)方面入手,研究了油膜結(jié)構(gòu)對(duì)軸承特性的影響規(guī)律;最后,搭建了環(huán)形油腔推力軸承試驗(yàn)臺(tái),通過(guò)實(shí)驗(yàn)的方式對(duì)上述理論分析進(jìn)行了驗(yàn)證。本文的主要研究?jī)?nèi)容和成果如下所示:(1)針對(duì)推力軸承這一具體對(duì)象,從流體力學(xué)基本方程N(yùn)avier-Stocks方程出發(fā),推導(dǎo)出了適用于推力軸承的薄膜潤(rùn)滑控制方程。在油腔面積相等的條件下,研究了三種油腔結(jié)構(gòu)(圓形、環(huán)形和扇形)推力軸承的靜態(tài)特性,發(fā)現(xiàn)環(huán)形油腔推力軸承的靜態(tài)特性最好。由于以往文獻(xiàn)中小徑圓形油腔推力軸承的理論計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果之間存在較大誤差,本文提出了在計(jì)算過(guò)程中考慮進(jìn)油孔區(qū)域潤(rùn)滑油慣性效應(yīng)的新方法,使計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果之間的誤差減小了20%以上。探討了牛頓流體潤(rùn)滑的圓形油腔和環(huán)形油腔推力軸承的動(dòng)態(tài)特性,發(fā)現(xiàn):環(huán)形油腔推力軸承的剛度和阻尼特性要優(yōu)于圓形油腔推力軸承;在相同條件下,小孔節(jié)流推力軸承的動(dòng)態(tài)特性要優(yōu)于毛細(xì)管節(jié)流推力軸承。討論了油腔壓力、油腔面積和油腔位置對(duì)環(huán)形油腔推力軸承動(dòng)態(tài)特性的影響規(guī)律,對(duì)以往根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式得出的一些結(jié)論進(jìn)行了修正。(2)傳統(tǒng)的牛頓潤(rùn)滑劑在流動(dòng)過(guò)程中剪切應(yīng)力與速度梯度之間呈線性關(guān)系,但是隨著實(shí)際工況對(duì)軸承特性要求的不斷提高,傳統(tǒng)的牛頓潤(rùn)滑劑逐漸被各種非牛頓潤(rùn)滑劑所取代。由于非牛頓潤(rùn)滑劑的剪切應(yīng)力與速度梯度之間是非線性關(guān)系,使得軸承特性理論分析的難度大大提高。本文分析了兩種非牛頓流體(耦合應(yīng)力流體和Rabinowitsch流體)對(duì)軸承靜態(tài)特性的影響規(guī)律。耦合應(yīng)力流體潤(rùn)滑的環(huán)形油腔推力軸承的靜態(tài)特性可以通過(guò)常規(guī)方法求解,結(jié)果顯示采用耦合應(yīng)力流體潤(rùn)滑確實(shí)能改善推力軸承的靜態(tài)特性。而Rabinowitsch流體潤(rùn)滑的推力軸承目前還得不到類(lèi)似Reynolds方程的控制方程,近年來(lái)國(guó)外學(xué)者曾嘗試通過(guò)能量積分法進(jìn)行求解,但其計(jì)算過(guò)程繁瑣,計(jì)算結(jié)果冗長(zhǎng),可推廣性值得商榷。本文針對(duì)性的提出了小擾動(dòng)法和平均慣性法來(lái)改進(jìn)計(jì)算過(guò)程,特別是平均慣性法,能簡(jiǎn)化推導(dǎo)過(guò)程,并得到更為簡(jiǎn)潔的結(jié)果表達(dá)式,同時(shí)計(jì)算結(jié)果與國(guó)外學(xué)者的結(jié)果吻合度很好。因此,本文提出的平均慣性法在分析Rabinowitsch流體潤(rùn)滑的推力軸承靜態(tài)特性時(shí)具有更好的可推廣性。(3)研究了主軸和軸承之間的傾斜、軸承表面微結(jié)構(gòu)以及主軸和軸承表面的熱變形這三種情況造成的油膜結(jié)構(gòu)變化對(duì)環(huán)形油腔液體靜壓推力軸承特性的影響。在計(jì)算分析過(guò)程中,提出了運(yùn)用Gauss-Legendre公式對(duì)不定積分進(jìn)行近似求解的方法。發(fā)現(xiàn)當(dāng)表面微結(jié)構(gòu)的振幅大于臨界值h_(a0)時(shí),軸承轉(zhuǎn)動(dòng)不僅不會(huì)削弱承載力,反而能使軸承承載力得到加強(qiáng);而流量和承載力則會(huì)隨著表面微結(jié)構(gòu)波長(zhǎng)的變化而發(fā)生振蕩。在此基礎(chǔ)上,給出了以?xún)?yōu)化承載力為目標(biāo)的表面微結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法。推導(dǎo)出了普遍意義下的油膜溫度分布方程,并給出了其求解的邊界條件,當(dāng)研究對(duì)象具體到環(huán)形油腔液體靜壓推力軸承時(shí),提出了在任一時(shí)刻油膜溫度處處相等的假想,并通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了這一假想,這樣在討論溫度對(duì)軸承特性影響的時(shí)候,可以在不影響計(jì)算精度的前提下簡(jiǎn)化分析過(guò)程。(4)搭建了環(huán)形油腔液體靜壓推力軸承試驗(yàn)臺(tái),設(shè)計(jì)和開(kāi)展了軸承油膜的靜態(tài)特性實(shí)驗(yàn)和剛度實(shí)驗(yàn)。通過(guò)多種傳感器采集了軸承工作過(guò)程中的油膜壓力、油膜溫度、油膜厚度、供油系統(tǒng)的供油量以及工作臺(tái)承受的載荷等多組數(shù)據(jù),并根據(jù)傳感器的類(lèi)型和數(shù)量開(kāi)發(fā)了相應(yīng)的數(shù)據(jù)采集儀。在前文的對(duì)比分析中可以看到,在軸承靜止時(shí),實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論計(jì)算結(jié)果吻合的很好;在軸承轉(zhuǎn)動(dòng)以后,理論計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果之間的總體變化趨勢(shì)保持一致,誤差在15%以?xún)?nèi)。從而,驗(yàn)證了理論分析的正確性。
【學(xué)位單位】：華中科技大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類(lèi)】：TH133.3
【部分圖文】：

1.1 課題來(lái)源本課題主要得到以下科研項(xiàng)目的資助：（1）國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目“高性能流體靜壓支承系統(tǒng)的基礎(chǔ)研究”（編51235005）；（2）國(guó)防基礎(chǔ)科研核科學(xué)挑戰(zhàn)專(zhuān)題子課題“精密多軸聯(lián)動(dòng)機(jī)床高剛度功能的動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能增強(qiáng)機(jī)制”（編號(hào)：2017M622427）。1.2 課題研究背景、目的及意義隨著高端制造裝備在服役功能與工作品質(zhì)等方面不斷提高，向著在高速/超高重載、多源強(qiáng)擾動(dòng)條件下，制造大型/超大型精密零件及超精密(微納)零件兩個(gè)極向發(fā)展，高端制造裝備制造尺度和精度的極限化對(duì)決定裝備性能的基礎(chǔ)運(yùn)動(dòng)部運(yùn)動(dòng)精度、動(dòng)態(tài)品質(zhì)及其穩(wěn)定性、可靠性等方面的需求逐漸嚴(yán)苛[1]。

（例如：高速/超高速、重載和多源強(qiáng)擾動(dòng)動(dòng)支承的制造裝備很難突破微米/亞微米級(jí)取滑動(dòng)支承�；瑒�(dòng)支承是在相對(duì)運(yùn)動(dòng)副接隔開(kāi)，起到承載和潤(rùn)滑的作用，另外在流體散熱的作用。根據(jù)壓力流體特性，滑動(dòng)支承體支承一般用于高速輕載工況，而液體支承體滑動(dòng)支承可分為徑向支承、推力支承和承一般分為流體動(dòng)壓支承、流體靜壓支承介質(zhì)的靜壓支承運(yùn)動(dòng)副，其最大特點(diǎn)是相載力大，工作時(shí)具有近零摩擦、無(wú)磨損、效等優(yōu)點(diǎn)，且工程適應(yīng)性好，較好地滿足了重裝備對(duì)運(yùn)動(dòng)支承的性能要求，成為高端制。

華 中 科 技 大 學(xué) 博 士 學(xué) 位 論 文（1）相對(duì)運(yùn)動(dòng)副上必須有油腔；（2）靜壓支承力的大小與支承部件的運(yùn)動(dòng)速度無(wú)關(guān)；（3）需要能夠調(diào)節(jié)油腔壓力的元件，通常是節(jié)流器；（4）需要有一套專(zhuān)門(mén)的供油系統(tǒng)，因此靜壓支承系統(tǒng)往往比動(dòng)壓支承系統(tǒng)復(fù)由于動(dòng)壓效應(yīng)的形成需要特定的條件，并且在啟動(dòng)和停車(chē)的時(shí)候會(huì)產(chǎn)生干摩純動(dòng)壓軸承在高端裝備中的應(yīng)用越來(lái)越少。近年來(lái)，許多國(guó)外高端制造裝備的運(yùn)動(dòng)承系統(tǒng)主要采用液體靜壓支承，如圖 1-4 和 1-5 所示。而在國(guó)內(nèi)，由于高精密滾動(dòng)承系統(tǒng)相關(guān)零部件的制造加工難以實(shí)現(xiàn)突破，液體靜壓支承在制造裝備中的應(yīng)用益廣泛。
【參考文獻(xiàn)】

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3 李曉陽(yáng);任淼;;波動(dòng)載荷下靜壓支承油膜的數(shù)值仿真[J];北京工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào);2012年07期

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5 何春勇;劉正林;吳鑄新;劉宇;;船用水潤(rùn)滑推力軸承扇形推力瓦潤(rùn)滑性能數(shù)值分析[J];潤(rùn)滑與密封;2009年06期

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7 何中華;葉啟海;;氣浮長(zhǎng)軸承支撐彈性轉(zhuǎn)子的非線性動(dòng)力學(xué)行為分析[J];科學(xué)技術(shù)與工程;2008年16期

8 徐小峰,崔升,張文,邱鵬慶;再附著邊界條件下無(wú)限長(zhǎng)軸承非線性油膜力的計(jì)算[J];復(fù)旦學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版);1999年02期

9 趙紅梅，董毓新，馬震岳;油膜溫度呈三維分布的推力軸承潤(rùn)滑計(jì)算[J];大連理工大學(xué)學(xué)報(bào);1994年05期

10 馬震岳,董毓新;推力軸承油膜剛度的三維熱彈流動(dòng)力潤(rùn)滑計(jì)算[J];大連理工大學(xué)學(xué)報(bào);1991年01期

本文編號(hào)：2843283