液體靜壓支承在工作時具有承載力大、近零摩擦、無磨損、效率高、運動平穩(wěn)、能夠有效隔離振動傳遞等優(yōu)點,且工程適應性好,較好地滿足了重型及精密加工制造裝備對運動支承的性能要求,成為高端制造裝備實現(xiàn)高精度、高穩(wěn)定性的有效手段。一直以來,研究者們對液體靜壓支承系統(tǒng)的支承特性及油膜內(nèi)部潤滑機制的研究較為缺乏,使得液體靜壓支承技術(shù)的基礎(chǔ)研究與實際工程之間存在一定距離,迫切需要開展相關(guān)領(lǐng)域的研究。本文以液體靜壓支承系統(tǒng)的一個重要分支——液體靜壓推力軸承為對象,旨在研究軸承油膜動靜態(tài)特性的影響機理。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滑下的動靜態(tài)特性;其次,分析了潤滑劑非牛頓性對軸承特性的影響規(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方面入手,研究了油膜結(jié)構(gòu)對軸承特性的影響規(guī)律;最后,搭建了環(huán)形油腔推力軸承試驗臺,通過實驗的方式對上述理論分析進行了驗證。本文的主要研究內(nèi)容和成果如下所示:(1)針對推力軸承這一具體對象,從流體力學基本方程Navier-Stocks方程出發(fā),推導出了適用于推力軸承的薄膜潤滑控制方程。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。由于以往文獻中小徑圓形油腔推力軸承的理論計算結(jié)果與實驗結(jié)果之間存在較大誤差,本文提出了在計算過程中考慮進油孔區(qū)域潤滑油慣性效應的新方法,使計算結(jié)果與實驗結(jié)果之間的誤差減小了20%以上。探討了牛頓流體潤滑的圓形油腔和環(huán)形油腔推力軸承的動態(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)流推力軸承的動態(tài)特性要優(yōu)于毛細管節(jié)流推力軸承。討論了油腔壓力、油腔面積和油腔位置對環(huán)形油腔推力軸承動態(tài)特性的影響規(guī)律,對以往根據(jù)經(jīng)驗公式得出的一些結(jié)論進行了修正。(2)傳統(tǒng)的牛頓潤滑劑在流動過程中剪切應力與速度梯度之間呈線性關(guān)系,但是隨著實際工況對軸承特性要求的不斷提高,傳統(tǒng)的牛頓潤滑劑逐漸被各種非牛頓潤滑劑所取代。由于非牛頓潤滑劑的剪切應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(耦合應力流體和Rabinowitsch流體)對軸承靜態(tài)特性的影響規(guī)律。耦合應力流體潤滑的環(huán)形油腔推力軸承的靜態(tài)特性可以通過常規(guī)方法求解,結(jié)果顯示采用耦合應力流體潤滑確實能改善推力軸承的靜態(tài)特性。而Rabinowitsch流體潤滑的推力軸承目前還得不到類似Reynolds方程的控制方程,近年來國外學者曾嘗試通過能量積分法進行求解,但其計算過程繁瑣,計算結(jié)果冗長,可推廣性值得商榷。本文針對性的提出了小擾動法和平均慣性法來改進計算過程,特別是平均慣性法,能簡化推導過程,并得到更為簡潔的結(jié)果表達式,同時計算結(jié)果與國外學者的結(jié)果吻合度很好。因此,本文提出的平均慣性法在分析Rabinowitsch流體潤滑的推力軸承靜態(tài)特性時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)變化對環(huán)形油腔液體靜壓推力軸承特性的影響。在計算分析過程中,提出了運用Gauss-Legendre公式對不定積分進行近似求解的方法。發(fā)現(xiàn)當表面微結(jié)構(gòu)的振幅大于臨界值h_(a0)時,軸承轉(zhuǎn)動不僅不會削弱承載力,反而能使軸承承載力得到加強;而流量和承載力則會隨著表面微結(jié)構(gòu)波長的變化而發(fā)生振蕩。在此基礎(chǔ)上,給出了以優(yōu)化承載力為目標的表面微結(jié)構(gòu)設(shè)計方法。推導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,當研究對象具體到環(huán)形油腔液體靜壓推力軸承時,提出了在任一時刻油膜溫度處處相等的假想,并通過實驗驗證了這一假想,這樣在討論溫度對軸承特性影響的時候,可以在不影響計算精度的前提下簡化分析過程。(4)搭建了環(huán)形油腔液體靜壓推力軸承試驗臺,設(shè)計和開展了軸承油膜的靜態(tài)特性實驗和剛度實驗。通過多種傳感器采集了軸承工作過程中的油膜壓力、油膜溫度、油膜厚度、供油系統(tǒng)的供油量以及工作臺承受的載荷等多組數(shù)據(jù),并根據(jù)傳感器的類型和數(shù)量開發(fā)了相應的數(shù)據(jù)采集儀。在前文的對比分析中可以看到,在軸承靜止時,實驗結(jié)果與理論計算結(jié)果吻合的很好;在軸承轉(zhuǎn)動以后,理論計算結(jié)果與實驗結(jié)果之間的總體變化趨勢保持一致,誤差在15%以內(nèi)。從而,驗證了理論分析的正確性。
【學位單位】：華中科技大學
【學位級別】：博士
【學位年份】：2018
【中圖分類】：TH133.3
【部分圖文】：

1.1 課題來源本課題主要得到以下科研項目的資助：（1）國家自然科學基金重點項目“高性能流體靜壓支承系統(tǒng)的基礎(chǔ)研究”（編51235005）；（2）國防基礎(chǔ)科研核科學挑戰(zhàn)專題子課題“精密多軸聯(lián)動機床高剛度功能的動態(tài)響應性能增強機制”（編號：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、多源強擾動條件下，制造大型/超大型精密零件及超精密(微納)零件兩個極向發(fā)展，高端制造裝備制造尺度和精度的極限化對決定裝備性能的基礎(chǔ)運動部運動精度、動態(tài)品質(zhì)及其穩(wěn)定性、可靠性等方面的需求逐漸嚴苛[1]。

（例如：高速/超高速、重載和多源強擾動動支承的制造裝備很難突破微米/亞微米級取滑動支承�；瑒又С惺窃谙鄬\動副接隔開，起到承載和潤滑的作用，另外在流體散熱的作用。根據(jù)壓力流體特性，滑動支承體支承一般用于高速輕載工況，而液體支承體滑動支承可分為徑向支承、推力支承和承一般分為流體動壓支承、流體靜壓支承介質(zhì)的靜壓支承運動副，其最大特點是相載力大，工作時具有近零摩擦、無磨損、效等優(yōu)點，且工程適應性好，較好地滿足了重裝備對運動支承的性能要求，成為高端制。

華 中 科 技 大 學 博 士 學 位 論 文（1）相對運動副上必須有油腔；（2）靜壓支承力的大小與支承部件的運動速度無關(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）需要有一套專門的供油系統(tǒng)，因此靜壓支承系統(tǒng)往往比動壓支承系統(tǒng)復由于動壓效應的形成需要特定的條件，并且在啟動和停車的時候會產(chǎn)生干摩純動壓軸承在高端裝備中的應用越來越少。近年來，許多國外高端制造裝備的運動承系統(tǒng)主要采用液體靜壓支承，如圖 1-4 和 1-5 所示。而在國內(nèi)，由于高精密滾動承系統(tǒng)相關(guān)零部件的制造加工難以實現(xiàn)突破，液體靜壓支承在制造裝備中的應用益廣泛。
【參考文獻】

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本文編號：2843283