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液体静压转台油腔流动特性和承载力的研究

作　者: 岳广杰
导　师: 刘赵淼
学　校: 北京工业大学
专　业: 力学
关键词: 液体静压转台 PIV实验数值模拟壁面转动壁面滑移雷诺方程
分类号: TG659
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
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内容摘要

近年来我国在航空航天、船舶、工程机械和武器制造等工业领域发展快速，对于加工高精度或超高精度零部件的数控机床性能提出了更高要求。重载、高速、精密、稳定与自动化成为未来高性能数控机床的研制方向。液体静压转台作为高性能数控机床的承重台和工作台，具有高承载力、高精度、摩擦阻力小、使用寿命长、抗震性能好等特点，在超精密机床和仪器行业获得了广泛应用。研究液体静压转台承载性能对数控机床的技术进步具有重要意义。本文采用实验方法、数值方法和理论方法研究了多种因素影响下液体静压转台油腔内流体流动特性，从多角度分析了不同因素对液体静压转台油腔的稳定性和承载力的影响规律。(1)基于实验方法研究流体为水时静压油腔流场结构，并与数值结果相对比，分析油腔承载性能的变化。实验结果表明：入口雷诺数的增大不改变油腔中涡的数量，涡的位置随着入口雷诺数的增大向封油边移动。分析由实验数据拟合得到的入口雷诺数与油腔流场涡心位置的变化曲线，随着入口雷诺数的增大涡心的移动呈减缓趋势。实验流场的涡量图显示油腔内局部流场结构较复杂。数值分析油腔上壁面压强分布与剪应力分布，可知油腔上壁面压强值除入口喷射峰值区外均一致，入口喷射区边缘剪应力最大且发生润滑油滑移失效的可能性最大。(2)数值研究了多种因素对静压油腔流场结构和承载性能的影响。分析了油腔中流场结构、速度分布和壁面压强分布在润滑油粘度、入口流量、封油边间隙、壁面转动速度和边界滑移等因素的影响。结果表明：润滑油粘度和封油边间隙的变化对油腔稳定性影响较小，入口流量增大和壁面转动对油腔稳定性的不利影响较大；增大润滑油粘度和入口流量可以提高油腔承载力，增大封油边间隙和壁面转动速度会降低油腔承载力；壁面滑移对油腔流场结构和承载力的影响可以忽略不计。(3)理论研究了适用于上壁面转动时油腔内流体润滑的雷诺方程，分析了封油边处压强变化。基于上壁面转动的静压转台油腔雷诺方程与描述轴承润滑的雷诺方程表达式的不同，说明转台油腔与轴承的流动不同。分析了在Matlab中求解的封油边处压强分布，表明压强沿半径呈递减趋势，与数值模拟结果吻合较好。

全文目录

摘要  4-5
Abstract  5-9
第1章绪论  9-17
  1.1 本文的研究背景  9
  1.2 液体静压转台油腔承载性能的研究历史与现状  9-16
    1.2.1 液体静压转台的基本工作原理及分类  10
    1.2.2 流体润滑理论的发展  10-12
    1.2.3 入口流量对静压油腔性能的影响  12-13
    1.2.4 润滑油粘度对油腔性能的影响  13
    1.2.5 边界滑移对油腔性能的影响  13-15
    1.2.6 数值模拟方法在静压支承中的应用  15-16
  1.3 本文的研究内容  16
  1.4 课题来源  16-17
第2章实验方法与数值方法介绍  17-29
  2.1 引言  17
  2.2 粒子图像测速法介绍  17-18
  2.3 有限体积法和有限单元法介绍  18-25
    2.3.1 有限体积法(FVM)  18-20
    2.3.2 有限单元法(FEM)  20-25
  2.4 数值模拟在液体静压支承系统中的应用  25-27
    2.4.1 基本假设  25-26
    2.4.2 控制方程  26-27
  2.5 本章小结  27-29
第3章入口雷诺数对油腔流动特性影响的实验与数值研究  29-43
  3.1 引言  29-30
  3.2 液体静压转台油腔结构及模型建立  30-33
    3.2.1 液体静压油腔结构  30-31
    3.2.2 实验装置及参数设置  31-33
  3.3 静压油腔数值模拟  33
  3.4 实验结果与数值结果分析  33-41
    3.4.1 PIV 粒子图像速度场算法原理  33-35
    3.4.2 实验与数值结果分析  35-39
    3.4.3 油腔承载性能分析  39-41
  3.5 本章小结  41-43
第4章静压油腔流动特性与承载力的数值研究  43-67
  4.1 引言  43
  4.2 模型建立及参数设置  43-45
  4.3 润滑油粘度对油腔流动特性和承载力的影响  45-48
  4.4 入口流量对油腔流动特性和承载力的影响  48-52
  4.5 封油边间隙对油腔流动特性和承载力的影响  52-56
  4.6 上壁面转动对油腔流动特性和承载力的影响  56-61
  4.7 壁面滑移对油腔流动特性和承载力的影响  61-65
  4.8 本章小结  65-67
第5章上壁面转动静压转台油腔流动理论研究  67-75
  5.1 引言  67
  5.2 理论模型建立  67-69
  5.3 上壁面转动静压油腔雷诺方程推导  69-72
  5.4 油腔封油边压强求解  72-74
  5.5 本章小结  74-75
结论  75-77
参考文献  77-81
附录边界滑移程序  81-91
攻读硕士学位期间所发表的学术论文  91-93
致谢  93

液体静压转台油腔流动特性和承载力的研究

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