液体静压推力轴承支承特性及其影响因素研究

发布时间：2020-10-16 12:54

　　 液体静压支承在工作时具有承载力大、近零摩擦、无磨损、效率高、运动平稳、能够有效隔离振动传递等优点,且工程适应性好,较好地满足了重型及精密加工制造装备对运动支承的性能要求,成为高端制造装备实现高精度、高稳定性的有效手段。一直以来,研究者们对液体静压支承系统的支承特性及油膜内部润滑机制的研究较为缺乏,使得液体静压支承技术的基础研究与实际工程之间存在一定距离,迫切需要开展相关领域的研究。本文以液体静压支承系统的一个重要分支——液体静压推力轴承为对象,旨在研究轴承油膜动静态特性的影响机理。首先,系统的研究了各种油腔结构(圆形、环形和扇形)的推力轴承在牛顿流体润滑下的动静态特性;其次,分析了润滑剂非牛顿性对轴承特性的影响规律;再次,从轴承倾斜、表面微结构和轴承表面受热变形等三个方面入手,研究了油膜结构对轴承特性的影响规律;最后,搭建了环形油腔推力轴承试验台,通过实验的方式对上述理论分析进行了验证。本文的主要研究内容和成果如下所示:(1)针对推力轴承这一具体对象,从流体力学基本方程Navier-Stocks方程出发,推导出了适用于推力轴承的薄膜润滑控制方程。在油腔面积相等的条件下,研究了三种油腔结构(圆形、环形和扇形)推力轴承的静态特性,发现环形油腔推力轴承的静态特性最好。由于以往文献中小径圆形油腔推力轴承的理论计算结果与实验结果之间存在较大误差,本文提出了在计算过程中考虑进油孔区域润滑油惯性效应的新方法,使计算结果与实验结果之间的误差减小了20%以上。探讨了牛顿流体润滑的圆形油腔和环形油腔推力轴承的动态特性,发现:环形油腔推力轴承的刚度和阻尼特性要优于圆形油腔推力轴承;在相同条件下,小孔节流推力轴承的动态特性要优于毛细管节流推力轴承。讨论了油腔压力、油腔面积和油腔位置对环形油腔推力轴承动态特性的影响规律,对以往根据经验公式得出的一些结论进行了修正。(2)传统的牛顿润滑剂在流动过程中剪切应力与速度梯度之间呈线性关系,但是随着实际工况对轴承特性要求的不断提高,传统的牛顿润滑剂逐渐被各种非牛顿润滑剂所取代。由于非牛顿润滑剂的剪切应力与速度梯度之间是非线性关系,使得轴承特性理论分析的难度大大提高。本文分析了两种非牛顿流体(耦合应力流体和Rabinowitsch流体)对轴承静态特性的影响规律。耦合应力流体润滑的环形油腔推力轴承的静态特性可以通过常规方法求解,结果显示采用耦合应力流体润滑确实能改善推力轴承的静态特性。而Rabinowitsch流体润滑的推力轴承目前还得不到类似Reynolds方程的控制方程,近年来国外学者曾尝试通过能量积分法进行求解,但其计算过程繁琐,计算结果冗长,可推广性值得商榷。本文针对性的提出了小扰动法和平均惯性法来改进计算过程,特别是平均惯性法,能简化推导过程,并得到更为简洁的结果表达式,同时计算结果与国外学者的结果吻合度很好。因此,本文提出的平均惯性法在分析Rabinowitsch流体润滑的推力轴承静态特性时具有更好的可推广性。(3)研究了主轴和轴承之间的倾斜、轴承表面微结构以及主轴和轴承表面的热变形这三种情况造成的油膜结构变化对环形油腔液体静压推力轴承特性的影响。在计算分析过程中,提出了运用Gauss-Legendre公式对不定积分进行近似求解的方法。发现当表面微结构的振幅大于临界值h_(a0)时,轴承转动不仅不会削弱承载力,反而能使轴承承载力得到加强;而流量和承载力则会随着表面微结构波长的变化而发生振荡。在此基础上,给出了以优化承载力为目标的表面微结构设计方法。推导出了普遍意义下的油膜温度分布方程,并给出了其求解的边界条件,当研究对象具体到环形油腔液体静压推力轴承时,提出了在任一时刻油膜温度处处相等的假想,并通过实验验证了这一假想,这样在讨论温度对轴承特性影响的时候,可以在不影响计算精度的前提下简化分析过程。(4)搭建了环形油腔液体静压推力轴承试验台,设计和开展了轴承油膜的静态特性实验和刚度实验。通过多种传感器采集了轴承工作过程中的油膜压力、油膜温度、油膜厚度、供油系统的供油量以及工作台承受的载荷等多组数据,并根据传感器的类型和数量开发了相应的数据采集仪。在前文的对比分析中可以看到,在轴承静止时,实验结果与理论计算结果吻合的很好;在轴承转动以后,理论计算结果与实验结果之间的总体变化趋势保持一致,误差在15%以内。从而,验证了理论分析的正确性。
【学位单位】：华中科技大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TH133.3
【部分图文】：

1.1 课题来源本课题主要得到以下科研项目的资助：（1）国家自然科学基金重点项目“高性能流体静压支承系统的基础研究”（编51235005）；（2）国防基础科研核科学挑战专题子课题“精密多轴联动机床高刚度功能的动态响应性能增强机制”（编号：2017M622427）。1.2 课题研究背景、目的及意义随着高端制造装备在服役功能与工作品质等方面不断提高，向着在高速/超高重载、多源强扰动条件下，制造大型/超大型精密零件及超精密(微纳)零件两个极向发展，高端制造装备制造尺度和精度的极限化对决定装备性能的基础运动部运动精度、动态品质及其稳定性、可靠性等方面的需求逐渐严苛[1]。

（例如：高速/超高速、重载和多源强扰动动支承的制造装备很难突破微米/亚微米级取滑动支承。滑动支承是在相对运动副接隔开，起到承载和润滑的作用，另外在流体散热的作用。根据压力流体特性，滑动支承体支承一般用于高速轻载工况，而液体支承体滑动支承可分为径向支承、推力支承和承一般分为流体动压支承、流体静压支承介质的静压支承运动副，其最大特点是相载力大，工作时具有近零摩擦、无磨损、效等优点，且工程适应性好，较好地满足了重装备对运动支承的性能要求，成为高端制。

华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论 文（1）相对运动副上必须有油腔；（2）静压支承力的大小与支承部件的运动速度无关；（3）需要能够调节油腔压力的元件，通常是节流器；（4）需要有一套专门的供油系统，因此静压支承系统往往比动压支承系统复由于动压效应的形成需要特定的条件，并且在启动和停车的时候会产生干摩纯动压轴承在高端装备中的应用越来越少。近年来，许多国外高端制造装备的运动承系统主要采用液体静压支承，如图 1-4 和 1-5 所示。而在国内，由于高精密滚动承系统相关零部件的制造加工难以实现突破，液体静压支承在制造装备中的应用益广泛。
【参考文献】

相关期刊论文 前10条

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本文编号：2843283