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液体静压支承系统油腔工作性能研究

作　者: 张成印
导　师: 刘赵淼
学　校: 北京工业大学
专　业: 力学
关键词: 液体静压转台数值模拟涡旋流固耦合承载能力
分类号: TG659
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

现代科学技术的日益进步给航空航天技术、船舶工业、汽车工业以及高精密仪器等领域带来了巨大的发展也对机床的加工能力提出了越来越高的要求。液体静压支承系统因其承载性能好、摩擦阻力小、使用寿命长、抗震性能好、精度高、稳定性好等优点,在现代高精度数控机床中得到了广泛的应用,并逐渐成为机床的核心部件。液体静压支承系统承载性能的优劣直接影响到整个机床运行的加工精度、可靠性、寿命和经济指标。本文采用CFD软件CFD-ACE+对高精度数控机床的液体静压转台系统中油腔的流场和承载特性进行了研究。具体研究内容包括:(1)研究了不同因素对中心入口油腔中流场分布的影响。在静态下,粘度增大会减少涡旋数目,增强油腔承载稳定性;入口速度、油腔深度和入口半径增加会增大涡旋数目,降低油腔承载稳定性;壁面运动会削弱入口喷射的影响,造成入口附近的涡旋逐渐减弱直至消失,而在封油边处会出现涡旋;(2)研究了偏心入口油腔的静动态承载特性。静态下,偏心入口油腔的压强小于中心入口油腔;转台转动情况下,壁面运动沿x轴正向和y轴正向运动油腔压强值高于沿x轴负向和y轴负向运动的油腔压强;在偏载的楔形油膜中,油腔压强在壁面运动方向与油膜倾斜方向相同时随着壁面速度增加而增大,反向时则随着壁面速度增加而减小,垂直时则不随壁面运动速度增加而变化;(3)利用流固耦合方法研究了变载情况下油腔的承载特性。在周期载荷情况下,油腔压强和交界面位移出现相同的周期性变化,但到达波峰的时间与载荷相比存在延迟。油腔初始压强与加载后载荷差值减小,油腔压强和交界面在加载后能更快达到稳定,交界面距离初始位置距离减小。研究结果表明,在应用于小型转台的中心入口油腔中,油腔几何尺寸变化、润滑油粘度以及壁面运动都会对油腔中的涡旋分布产生影响,而涡旋对壁面压强有很大影响,从而进一步影响油腔承载的稳定性;在应用于大型转台的偏心入口油腔中,壁面的不同运动速度会对油腔承载能力大小造成影响,而当壁面相对于油腔的运动方向不同时,其对压强造成的影响程度不同;当油膜呈楔形时,壁面在不同运动方向情况下,其运动速度变化对油腔压强造成的影响趋势不同;在周期性变化载荷作用下,油腔压强和交界面位移也呈周期性变化。

全文目录

摘要  4-5
Abstract  5-9
第1章绪论  9-19
  1.1 本文的研究背景  9-10
  1.2 液体静压油腔的研究历史与现状  10-17
    1.2.1 入口流量对油腔性能的影响  11-12
    1.2.2 油腔几何特征对油腔性能的影响  12-13
    1.2.3 表面形貌对油腔性能的影响  13-14
    1.2.4 润滑油粘性对油腔性能的影响  14-15
    1.2.5 转轴运动和偏心对静压轴承性能影响  15-16
    1.2.6 数值模拟在静压支承中的应用  16-17
  1.3 本文的研究内容  17-18
  1.4 课题来源  18-19
第2章数值方法介绍及计算流体力学在静压支承系统中的应用  19-29
  2.1 引言  19
  2.2 数值方法介绍  19-22
    2.2.1 有限元法(FEM)  20-21
    2.2.2 有限体积法(FVM)  21-22
  2.3 静压支承概述  22-23
  2.4 计算流体力学及其在液体静压支承系统中的应用  23-27
    2.4.1 计算流体力学概述  23-24
    2.4.2 计算流体力学在液体静压支承中的应用  24-27
  2.5 本章小结  27-29
第3章中心入口油腔内流场特性的数值研究  29-47
  3.1 引言  29
  3.2 液体静压支承油腔结构及计算模型的建立  29-34
    3.2.1 计算模型的建立  31-33
    3.2.2 模拟参数设置  33-34
  3.3 静态下不同边界条件对油腔流场影响  34-39
    3.3.1 静态下油膜厚度对油腔压强和承载力的影响  34-35
    3.3.2 变粘度条件对涡旋分布影响  35-36
    3.3.3 入口速度对涡旋分布影响  36-37
    3.3.4 油腔深度对涡旋分布影响  37-38
    3.3.5 油腔入口半径对涡旋分布影响  38-39
  3.4 转台转动对油腔流场影响  39-45
    3.4.1 转动模型  40-41
    3.4.2 转台转动对油腔压强的影响  41
    3.4.3 转台转动情况下油腔中涡旋分布对壁面压强的影响  41-45
  3.5 本章小结  45-47
第4章偏心入口油腔承载特性的数值研究  47-61
  4.1 引言  47
  4.2 大型转台偏心油腔计算模型的建立  47-49
    4.2.1 建立计算模型  48
    4.2.2 模拟参数设置  48-49
  4.3 偏心入口油腔和中心入口油腔压强比较  49-51
  4.4 壁面运动对偏心入口油腔压强分布影响  51-56
    4.4.1 壁面速度不同对偏心入口油腔壁面压强分布  51-54
    4.4.2 壁面运动方向对油腔压强的影响  54-56
  4.5 楔形油膜下油腔压强变化  56-59
  4.6 本章小结  59-61
第5章液体静压支承油腔的流固耦合模拟  61-69
  5.1 引言  61-62
  5.2 流固耦合模型的建立  62-63
    5.2.1 建立流固耦合模型  62-63
    5.2.2 模拟参数设置  63
  5.3 流固耦合模拟  63-68
    5.3.1 变载荷对油腔压强和交界面位移影响  63-65
    5.3.2 不同因素对油腔相应延迟影响  65-68
  5.4 本章小结  68-69
结论  69-71
参考文献  71-77
攻读硕士学位期间发表的学术论文  77-79
致谢  79

液体静压支承系统油腔工作性能研究

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