【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 omputational Fluid Dynamics)理論的發(fā)展，靜壓軸承的理論基礎(chǔ)納維 斯托克斯 (NS)方程組通過(guò)數(shù)值計(jì)算方法可以得到河南科技大學(xué)碩士學(xué)位論文 4 求解，依靠于最新的計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)理論和數(shù)值計(jì)算方法的發(fā)展，很多更符合實(shí)際狀況的因素得到考慮，對(duì)液體靜壓主軸系統(tǒng)的研究更加深入，因此近三 十年液體靜壓主軸在精密加工、超精密加工領(lǐng)域“東山再起” ，得到重視，國(guó)內(nèi)外對(duì)于靜壓軸承的研究方法正是如此。 、結(jié)構(gòu)參數(shù)、系統(tǒng)參數(shù)對(duì)主軸系統(tǒng)性能影響的研究 ,承壓力和流量特性的影響，根據(jù)納維 — 斯托克斯方程，采用有限差分?jǐn)?shù)值方法計(jì)算了過(guò)渡角曲率為 90? 和其它角度時(shí)，分析了淺腔靜壓軸承壓力和流量特性差異 ,、圓形、三角形時(shí)對(duì)靜壓軸承油膜流場(chǎng)和壓力場(chǎng)的影響，考慮流體為層流、二維、穩(wěn)態(tài)、常粘度， Frank Horvat 使用流體計(jì)算軟件 CFDACE+分析了靜壓軸承單個(gè)油腔的深度變化對(duì)流場(chǎng)和壓力場(chǎng)的影響，并進(jìn)行了試驗(yàn)分析，得到仿真分析流場(chǎng)并和實(shí)際試驗(yàn)流場(chǎng)進(jìn)行了對(duì)比分析 , ,、圓弧形、三角形，對(duì)二維 NavierStokes方程使用有限差分法進(jìn)行求解，對(duì)軸承的流量、壓力分布進(jìn)行計(jì)算，以得到最優(yōu)的周向截面油腔形狀 [6,7,8]。 Nicodemus,Satish ，分析了微極流體潤(rùn)滑動(dòng)靜壓軸承油腔結(jié)構(gòu)形狀對(duì)四油腔小孔節(jié)流性能的影響，結(jié)果顯示油腔結(jié)構(gòu)形狀和節(jié)流器設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)微極流體潤(rùn)滑動(dòng)靜壓軸承有顯著的影響[10]。 Narendra Singh,Satish , Reddy使用有限體積法對(duì)薄膜反饋節(jié)流動(dòng)靜壓軸承不同油腔形狀進(jìn)行了研究，對(duì)油腔形狀分布為正方形、圓形、橢圓形、三角形動(dòng)靜壓軸承進(jìn)行了理論計(jì)算， 對(duì)比分析得出油腔形狀對(duì)軸承性能有重要影響，軸承油腔形狀和節(jié)流器的合理選擇能夠得到高性能的動(dòng)靜壓軸承 [11]。 IDEKO等使用 FLUENT對(duì)磨床靜壓向心軸承進(jìn)行了理論和實(shí)驗(yàn)分析，分析得到了油泵壓力、主軸轉(zhuǎn)速對(duì)軸承靜態(tài)性能的影響，通過(guò)實(shí)驗(yàn)分析了軸承的溫升、油腔壓力、流量、承載能力和剛度 [12]。 曹俊偉利用 CFD軟件 FLUENT對(duì)液體靜壓軸承油膜進(jìn)行了計(jì)算，發(fā)現(xiàn)主軸在高速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，油腔壓力油存在一明顯的低壓區(qū) [19]。 常翠平設(shè)計(jì)了可以同時(shí)承受徑向和軸向載荷徑向推力聯(lián)合軸承，利用 CFD軟件 FLUENT進(jìn)行求解計(jì)算，分析了油膜厚度、不同錐半角下無(wú)偏心和有偏心對(duì)軸第 1 章 緒論 5 承承載能力、軸向剛度、徑向剛度、徑向力和軸向力的比值、質(zhì)量流量、溫升、摩擦力的影響 [25]。 郭立、勝曉敏對(duì)淺腔動(dòng)靜壓軸承進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，編制了優(yōu)化程序 [31]， 利用 FLUENT軟件分析了動(dòng)靜壓階梯腔軸承的偏心率變化時(shí)對(duì)最大壓力、最大溫升、承載力及偏位角的影響 [32]， 王磊等利用計(jì)算流體力學(xué)軟件 FLUENT分析了主軸偏心率、主軸間隙、主軸轉(zhuǎn)速對(duì)承載能力和剛度的影響 [33]， 馬濤等基于FLUENT對(duì)液體動(dòng)靜壓軸承進(jìn)行了數(shù)值模擬，分析了承載力和 偏心率之間的關(guān)系[34]， 崔鳳奎 ,趙魏 利用 CFX分析了球磨機(jī)靜壓軸承靜態(tài)下油膜壓力及流場(chǎng)對(duì)其承載能力的影響 [35]。 、壓力場(chǎng)的研究 Lu Lihua等使用 CFD軟件對(duì)靜壓軸承的剛度進(jìn)行了流 — 固耦合分析 ,通過(guò)建立流固耦合模型，使用 CFD對(duì)靜壓軸承溫升和壓力場(chǎng)進(jìn)行了計(jì)算，靜壓軸承的靜態(tài)剛度得到了理論計(jì)算，對(duì)比分析了考慮溫升和不考慮溫升情況下，靜態(tài)剛度下降了 78%[9]。 蒙文等設(shè)計(jì)了一套靜壓支承的實(shí)驗(yàn)方案 , 并對(duì)其承載能力、潤(rùn)滑油壓力、油膜厚度以及潤(rùn)滑油流量進(jìn)行了測(cè)量 [18]。 哈爾濱理工大學(xué)機(jī)械動(dòng)力工程學(xué)院邵俊鵬利用 CFD軟件 FLUENT分析了當(dāng)粘度為變量時(shí)，靜壓軸承的油腔深度對(duì)油膜溫度場(chǎng)的影響；邵俊鵬、張艷芹、李鵬程等利用 CFD軟件 FLUENT對(duì)靜壓徑向軸承橢圓形油腔和扇形油腔的流場(chǎng)進(jìn)行了對(duì)比；張艷芹利用 CFD軟件 FLUENT對(duì)重型立式數(shù)控車(chē)床工作臺(tái)靜壓推力軸承的壓力場(chǎng)和溫度場(chǎng)進(jìn)行了計(jì)算 [20,21]。 哈爾濱工業(yè)大學(xué)劉雷對(duì) TK6916DA臥式數(shù)控鏜銑床液體靜壓軸承進(jìn)行理論分析，利用 CFD軟件 FLUENT計(jì)算液體靜壓軸承油膜流體的流動(dòng)特性，利用COSMOSWorks對(duì)受壓力油作 用的軸承體進(jìn)行結(jié)構(gòu)靜力學(xué)分析 [23]。 徐錚設(shè)計(jì)了一套專(zhuān)用磨床靜壓軸承系統(tǒng)并使用流體分析軟件 FLUENT對(duì)油膜特性進(jìn)行了分析，曹俊偉利用 CFD軟件 FLUENT研究了重型數(shù)控鏜床主軸靜壓軸承油膜的壓力場(chǎng)，速度場(chǎng)和溫度場(chǎng) [26]。 吉林大學(xué)劉剛利用 ANSYS APDL對(duì)球磨機(jī)靜壓軸承進(jìn)行了流體仿真計(jì)算，得到潤(rùn)滑油流經(jīng)軸承的壓力和速度的變化規(guī)律 [27]。 東北大學(xué)王磊針對(duì)曲軸連桿主軸，設(shè)計(jì)了靜壓軸承及雙面薄膜節(jié)流器靜壓軸承，利用 CFD軟件 FLUENT軸承油膜進(jìn)行了計(jì)算 [29]。 東北林業(yè)大學(xué)于曉東利用 CFD軟件 FLUENT對(duì)重型靜壓推力軸承的油膜壓力河南科技大學(xué)碩士學(xué)位論文 6 場(chǎng)、流場(chǎng)和溫度場(chǎng)計(jì)算分析，并進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證，得出重型推力軸承摩檫學(xué)行為和失效機(jī)理 [30]。 、溫升、功耗等為目標(biāo)優(yōu)化的研究 , and 力和為目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化分析，對(duì)影響軸承承載力的結(jié)構(gòu)參數(shù)和系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行了討論，得出軸承在大的半徑間隙和節(jié)流比為 [13]。 J. P. Chaomleffela， D. Nicolasb對(duì)靜壓徑 向軸承進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，得到軸承的壓力分布和分析了主軸轉(zhuǎn)速對(duì)軸承油腔出口和油腔壓力慣性力的影響，實(shí)驗(yàn)結(jié)果和理論分析結(jié)果相一致 [14]。 E. Solmaz,F. Ozturk基于熱力學(xué)對(duì)靜壓徑向軸承參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，得到考慮溫升時(shí)軸承參數(shù)對(duì)軸承特性的影響 [15]。 Kadir Cavdar使用多目標(biāo)優(yōu)化方法對(duì)徑向靜壓軸承進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，并編寫(xiě)計(jì)算機(jī)程序?qū)崿F(xiàn)了優(yōu)化設(shè)計(jì) [16]。 Amos Greene Winter對(duì)現(xiàn)有徑向靜壓軸承的制造過(guò)程進(jìn)行了改進(jìn)，使用三維包裹網(wǎng)技術(shù)（ ThreeDimensional Wrapped Network (3DWN) technology）進(jìn)行徑向靜壓軸承設(shè)計(jì)制造，這樣的制造過(guò)程與傳統(tǒng)徑向靜壓軸承的設(shè)計(jì)相比成本不足10%[17]。 北京化工大學(xué)葉紅玲、魏旭豪等以液體靜壓支承系統(tǒng)結(jié)構(gòu)為目標(biāo)使用理想點(diǎn)法進(jìn)行了優(yōu)化，對(duì)影響系統(tǒng)力學(xué)性能的參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化 [59]。 王慧、楊麗穎、高子輝等對(duì)錐形螺旋油楔動(dòng)壓滑動(dòng)軸承采用迭代算法對(duì)軸承承載力、溫升、 X方向的動(dòng)剛度進(jìn)行有優(yōu)化 [57]。 丁徐生、唐壽剛以功耗為目標(biāo)，剛度為約束對(duì)無(wú)周向回油液體靜壓軸承進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì) [58]。 根據(jù)國(guó)內(nèi)外對(duì)液體靜壓主 軸系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀進(jìn)行總結(jié)分析： ，隨著計(jì)算流體力學(xué)和數(shù)值計(jì)算方法的發(fā)展，對(duì)液體靜壓主軸系統(tǒng)壓力油膜從 NS 方程出發(fā)進(jìn)行機(jī)理的研究能為可能，國(guó)內(nèi)外的大量文獻(xiàn)都進(jìn)行了這方面的研究。 ，液體靜壓主軸系統(tǒng)的性能得到很大的提高，在精密加工、高精密主軸行業(yè)應(yīng)用越來(lái)越廣，而液體靜壓軸承集成化、模塊化成為其推廣需要解決的問(wèn)題，需要對(duì)靜壓主軸系統(tǒng)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化，包括對(duì)節(jié)流器的標(biāo)準(zhǔn)化。 、超精密方向發(fā)展，軸承的剛度、溫升、功 耗稱(chēng)為第 1 章 緒論 7 制約其發(fā)展的因素，對(duì)液體靜壓主軸進(jìn)行多目標(biāo)的優(yōu)化，來(lái)獲得最優(yōu)值，以使系統(tǒng)的整體性能得到最優(yōu)。 本課題的研究?jī)?nèi)容 結(jié)合國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀，針對(duì)液體靜壓主軸系統(tǒng)，對(duì)其進(jìn)行特性分析及優(yōu)化設(shè)計(jì)，主要研究以下幾方面的內(nèi)容： ，簡(jiǎn)化油路，進(jìn)行模塊化、集成化設(shè)計(jì)，根據(jù)計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)和數(shù)值計(jì)算方法，采用有限體積法，利用 FLUENT 軟件對(duì)設(shè)計(jì)的靜壓主軸系統(tǒng)進(jìn)行計(jì)算，分析靜壓徑向軸承結(jié)構(gòu)參數(shù)主軸系統(tǒng)承載性能的影響。 液體靜壓主軸 系統(tǒng)的剛度、功耗、溫升作為目標(biāo)函數(shù)，軸承長(zhǎng)徑比、半徑間隙、節(jié)流 器初始間隙作為設(shè)計(jì)變量，采用迭代搜尋優(yōu)化方法，利用VC++ 編程實(shí)現(xiàn)，對(duì)薄膜反饋節(jié)流式靜壓主軸系統(tǒng)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，經(jīng)過(guò)優(yōu)化，得到最大剛度、最小功耗，最低溫升，并實(shí)現(xiàn)編程軟件化。 河南科技大學(xué)碩士學(xué)位論文 8 第 2章 液體靜壓主軸系統(tǒng)設(shè)計(jì) 液體靜壓主軸系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求 液體靜壓主軸系統(tǒng)采用液體靜壓軸承作為支承，是其關(guān)鍵部件，靜壓軸承的設(shè)計(jì)直接關(guān)系到整個(gè)主軸系統(tǒng)的精度，液體靜壓軸承包括液體靜壓徑向軸承、液體靜壓止推軸承，分別平衡主軸軸向和徑向外載荷，來(lái)自供油系統(tǒng)的外界高壓油經(jīng)過(guò)節(jié)流器和軸承封油面的“阻礙”形成高壓承載面，形成軸承無(wú)數(shù)的支承點(diǎn)，因此 液體靜壓支承具有很多的優(yōu)點(diǎn) [39]，液體靜壓主軸系統(tǒng)還包括密封元件、驅(qū)動(dòng)裝置、軸上附件 (如磨床砂輪、法蘭等 )及主軸箱 [40]等。 本文對(duì)普通車(chē)床 6140 主軸進(jìn)行改造設(shè)計(jì)，要求加工工件的直徑不大于300mm，軸承的承載力大于 400N，液體靜壓主軸系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要包括主軸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、靜壓軸承設(shè)計(jì)，節(jié)流器設(shè)計(jì)，供油系統(tǒng)設(shè)計(jì) [41]，在對(duì)靜壓主軸系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算之前，首先要根據(jù)軸系的工作條件，例如對(duì)承載能力和系統(tǒng)剛度的要求、允許的溫升、結(jié)構(gòu)所允許的軸和軸承的尺寸范圍等，進(jìn)行方案設(shè)計(jì)，即合理地選擇軸承類(lèi)型、節(jié)流器型式、支承 點(diǎn)數(shù)目、供油系統(tǒng)以它們的布局。靜壓主軸設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)盡量簡(jiǎn)單，對(duì)稱(chēng)性好，材料均質(zhì)，熱變形小等 [42]，本章應(yīng)用三維造型軟件Solidworks 進(jìn)行三維造型進(jìn)行靜壓主軸系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。 液體靜壓主軸系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案 液體靜壓主軸系統(tǒng)的靜壓軸承根據(jù)止推軸承在主軸上布局形式的不同，可以分為以下三種主要形式 [40]。 圖 21a 止推軸承布置在徑向軸承的一側(cè) 圖 21b 止推軸承布置在同一徑向軸承的兩側(cè) 第 2 章 液體靜壓主軸系統(tǒng)設(shè)計(jì) 9 Fig. 21a On one side of the radial bearing On both sides of the same radial bearing 圖 21c 止推軸承布置在徑向軸承的兩端 Fig. 21cOn both ends of the radial bearing 圖 21a 為止推軸承位于徑向軸承一側(cè)布局形式。止推軸承環(huán)形油腔位于徑向軸承和主軸端蓋上，或者位于主軸軸肩的兩側(cè)上，止推軸承油膜間隙通過(guò)調(diào)整環(huán)來(lái)調(diào)節(jié)，這種布局形式止推軸承油膜半徑間隙易于調(diào)整，軸承承載力和剛度易于保證，同時(shí)，由于允許主軸熱變形，減 小了主軸受熱伸長(zhǎng)對(duì)加工精度的影響，這種布局形式長(zhǎng)應(yīng)用在對(duì)軸向剛度要求較高的主軸部件上。 圖 21b 為止推軸承位于前徑向軸承的兩側(cè)的布局形式。止推軸承的環(huán)形油腔位于在單個(gè)徑向軸承的兩個(gè)端面上，或位于主軸軸肩和止推環(huán)上，也可位于主軸軸肩及止推環(huán)上，止推軸承軸向間隙通過(guò)墊圈調(diào)整，止推環(huán)用螺母緊固，這種布局形式，止推環(huán)和主軸緊密配合，軸向間隙不易調(diào)整、不易保證，常應(yīng)用在主軸前后直徑不等軸向剛度要求不高的情況。 圖 21c 為止推軸承位于前后徑向軸承外側(cè)的 布局形式。止推軸承的環(huán)形油腔位于前徑向軸承的前端面及后徑向軸承的后端面，也可位于主軸軸肩及止推環(huán)上，止推軸承的軸向間隙通過(guò)墊圈調(diào)整，止推環(huán)用螺母緊固，這種布局形式主軸主軸間隙不易調(diào)整、不易保證，止推軸承軸向間隙受主軸熱變形的影響，這種布局形式一般不常用，除非上述兩種布局形式不能滿足。 液體靜壓軸承類(lèi)型很多，根據(jù)供油方式和軸承結(jié)構(gòu)，可以分為 [43]： 河南科技大學(xué)碩士學(xué)位論文 10 液 體 靜 壓 軸 承供 油 方 式 軸 承 結(jié) 構(gòu)恒壓供油徑 向 軸 承恒流量供油推 力 軸 承 徑 向 推 力 聯(lián) 合 軸 承油 腔 回 油 形 狀油 腔 形 狀油 腔對(duì)稱(chēng)等面積油腔不等面積油腔有周向回油槽無(wú)周向回油槽環(huán)形油腔多油腔平面環(huán)形油腔多油腔錐面和球面節(jié) 流 形 式外 部 節(jié) 流內(nèi)部節(jié)流固 定 節(jié) 流 可 變 節(jié) 流內(nèi)部節(jié)流內(nèi)部節(jié)流內(nèi)部節(jié)流內(nèi)部節(jié)流 內(nèi)部節(jié)流內(nèi)部節(jié)流 圖 22 為液體靜壓軸承分類(lèi)表 of the hydrostatic bearing 根據(jù)圖 22 可知， 設(shè)計(jì)的靜壓徑向軸承采用薄膜反饋節(jié)流器，靜壓推力軸承采用小孔節(jié)流器， 薄膜反饋節(jié)流式靜壓軸承屬于可變節(jié)流器靜壓軸承，具有反饋?zhàn)饔?，可以自?dòng)調(diào)節(jié)油腔壓力， 使得恒壓供油靜壓軸承具有相應(yīng)的承載能力和油膜剛度 。 隨著液體靜壓軸承的廣泛應(yīng)用，液體靜壓軸承的設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化成為待解決的問(wèn)題，本文選擇薄膜反饋節(jié)流靜壓軸承，對(duì)其進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)，包括薄膜反饋節(jié)流器模塊化設(shè)計(jì)和主軸箱模塊化設(shè)計(jì) [44]。 液體靜壓主軸系統(tǒng)設(shè)計(jì) 靜壓 徑向軸承尺寸參數(shù)設(shè)計(jì) 向軸承的長(zhǎng)度 B 第 2 章 液體靜壓主軸系統(tǒng)設(shè)計(jì) 11 軸承的長(zhǎng)度 B 一般取 B=(~) D，隨著靜壓徑向軸承長(zhǎng)度的增加，相應(yīng)的軸承的承載面積也增加，剛度也增加，但同時(shí)由于承載面積增大，相應(yīng)的摩擦功耗也增大，軸承的溫升會(huì)升高，因此，為了增加主軸的承載力，適當(dāng)?shù)脑黾虞S承的長(zhǎng)度是有益的，但也要考慮增大軸承長(zhǎng)度 B 相應(yīng)增加摩擦功耗，同時(shí)增加加工難度。取 B=