（测试计量技术及仪器专业论文）高速液体静压丝杠螺母副的研究.pdf

硕士学位论文 摘要 流体静压螺母由于精度高、运转平稳，摩擦小、使用寿命长，油膜刚度大、 承载能力强等优点，在一些精密仪器及重载设备上占据着重要的地位。本课题在 理论上分析了流体静压丝杠螺母副的承载能力、静态刚度和与之相关的理论计算 公式。对带有螺旋槽的静压螺母以及多孔质静压螺母的结构进行了改进，利用冷 却槽对整个系统进行强制冷却，以保证系统能够有效抑制温升。在液体绝对刚性 的假设条件下，推导出了流体薄膜内部压力分布方程。通过仿真得出了各个影响 因素与系统承载能力的关系曲线，以及与系统主要热源一一流体内摩擦功率相关 的影响因素及其关系。经过分析知道，温度变化对润滑液粘度及系统的总体性能 有很大的影响，因此严格控制系统的温升具有非常重要的意义。 提出了流体静压综合实验台结构设想，该试验台可进行各种静压丝杠螺母副 和流体静压轴承的动静态性能试验。通过对不同结构、不同参数的静压螺母进行 实验分析，可以找出静压螺母设计的最佳参数及结构，有利于流体静压丝杠螺母 副的发展。静压螺盎! 的结构在丝杠螺母副的高速化进程中起着极其重要的作用， 不但会影响到系统的承载，而且会直接影响到系统的温升，从而影响到系统的整 体性能。通过对不同载荷下静压丝杠与滚珠丝杠的摩擦功率进行比较，指明了静 压丝杠的适用情况，并分析了其具有的特点及发展前景。通过对传热学知识的分 析，从传导热方面对影响系统温升的相关因素进行了阐述，并指明了在流体静压 螺母中采用冷却系统的重要性。 关键词：静压螺母；承载能力；温升；静压润滑 硕士学位论文 a bs t r a c t h y d r o s t a t i c sa n da e r o s t a t i cs c r e wh a v eb e e na p p l i e dw i d e l yo nt h eu l t r a - p r e c i s i o n m a c h i n e r yb e c a u s eo fh i g hr o t a t i o n a la c c u r a c y ，c a l mo p e r a t i o n ，l o wf r i c t i o na n dl o n g l i f c s p a ne t c i nt h i sp a p e r ，t h eb e a r i n gc a p a c i t y ，s t a t i cs t i f f n e s so ft h eh y d r o s t a t i c p r e s s u r el e a ds c r e wn u ta n da s s o c i a t e dt h e o r e t i c a lc a l c u l a t i o nf o r m u l aw e r ea n a l y z e d i nt h e o r y a n dd e v e l o p sh y d r o s t a t i c ss c r e wa n dh y d r o s t a t i ca n da e f o s t a t i cp o r o u s t h r u s ts c r e wa n du s et h ec o o l i n gs y s t e mf o r c e dc o o l i n g ，s ot h es y s t e mc a ne f f e c t i v e l y c o n t r o lt h et e m p e r a t u r er i s e i nt h ec o n d i t i o n so ft h e a b s o l u t e l yr i g i dl i q u i d a s s u m p t i o n s ，t h ei n t e r n a ln u i df i l mp r e s s u r ed i s t r i b u t i o ne q u a t i o nw a sd e d u c e d t h r o u g hs i m u l a t i o n ，t h ec u r v e so fv a r i o u si n f l u e n c i n gf a c t o r sw i t hs y s t e mc a p a c i t y w e r eo b t a i n e d ，a sw e l la st h em a i nh e a ts o u r c e n o wf f i c t i o np o w e ri nt h er e l e v a n t f a c t o r sa n dt h e i rr e l a t i o n s h i p t h em a i nf a c t o r sw h i c hi m p a c tt h es y s t e mc a p a c i t y a n dp o w e ro ff t i c t i o nh a v eb e e na n a l y z e d ，a n dt h er e s u l t sd e s c r i b e dt h a ti nt h e a l l o w a b l er a n g e ，t h ec h a n g eo nt h ed i s p l a c e m e n tw h i c hc a s e db yt h ec h a n g eo f e x t e r n a ll o a da f f e c tl i t t l eo nt h ef r i c t i o n ，s ot h ef f i c t i o nh e a tw h i c hg e n e r a t e db y e x t e r n a l l o a di sn o tt h em a i nf a c t o r t h ec h a n g eo ft e m p e r a t u r ea f f c c t sh e a v i l yo nt h c l u b r i c a n t s ， s 0h o wt oc o n t r o ls t r i c t l yt e m p e r a t u r er i s i n go ft h es y s t e mi sv c r y s i g n j f i c a n t h y d r o s t a t i ca n da e r o s t a t i ce x p e r i m e n t a lr i gw a sd e s i g n e do nw h i c ht h es t a t i c p e f f o r m a n c eo fs c r e ws y s t e ma n db e a r i n g sc o u l db ea c h i e v e d t h eb e s tp a r a m e t e r s a n ds t r u c t u r e so fd e s i g n i n gs t a t i cn u tc a nb ef o u n dt h r o u g ht h ee x p e r i m e n t a la n a l y s i s o fd i f f e r e n ts t r u c t u r e ，d i f f e r e n tp a r a m e t e r ss t a t i cn u t s ，i ti s9 0 0 df o rt h ed e v e l o p m e n t o fh y d r o s t a tl e a ds c r e wn u t t h es t r u c t u r eo fh y d r o s t a t i cl e a ds c r e wi nt h ep r o c e s s0 f h i g h s p e e dp l a y sae x t f e m e l yi m p o r l a n tr o l e ，n o to n l ya f f e c tt h es y s t e ml o a d ，b u t a l s od i r e c t l ya f f e c tt h es y s t e mt e m p e r a t u r e ，t h u sa f f e c t i n gt h ea l lp e r f o r m a n c eo ft h e s y s t e m b a s e do nt h ea n a l y s i so fh e a tt r a n s f e rk n o w l e d g e ，f r o mt h eh e a tc o n d u c t i o n ， d e s c r i b i n gt e m p e r a t u r ee f f e c t so nt h es y s t e mr e l a t e df a c t o r s ，a n dp o i n t i n go u tt h e i m p o r t a n c et h a tt h en u ti nt h eh y d r o s t a t i cp r e s s u r ei nt h ec o o l i n gs y s t c m k e y w o r d s ：h y d r o s t a t i ca n da e r o s t a t i cs c f e w ；c a r r y i n gc a p a c i t y ；t e m p c r a t u r er i s c ； h y d f o s t a t i ca n da e r o s t a t i cl u b r i c a t i o n 硕士学位论文 插图索引 图2 1 静压丝杠螺母副结构框图7 图2 2 多孔式静压螺母结构示意图8 图2 3 采用多孔质材料的静压螺母8 图2 4 带螺旋槽的静压螺母9 图2 5改进后带螺旋槽的静压螺母结构1 0 图2 6改进后采用多孔质材料的螺母结构1 1 图3 1 矩形截面流动通道1 5 图3 2 流体静压螺母轴向压力分布图。2 0 图3 3 直管式毛细管节流器2 3 图3 4 弯管式毛细管节流器2 4 图3 5螺旋槽毛细管节流器。2 4 图3 6 薄膜反馈节流器工作原理2 5 图3 7 双联薄膜反馈节流器2 5 图3 8四联薄膜反馈节流器2 6 图4 1 对流换热示意图2 9 图4 2 传热过程示意图3 0 图4 3 热阻示意图一3 2 图4 4单层圆筒壁的导热3 3 图4 5圆筒壁导热的热阻单元3 3 图4 6 第三类边界条件单层圆筒壁的一维导热。3 4 图5 1节流器进口压力为o o 时轴向位移与螺旋槽内流体压力的关系4 l 图5 2 节流器进口压力为2 p e o 时轴向位移与螺旋槽内流体压力的关系4 2 图5 3不同节流器进口压力对螺旋槽内流体压力的影响4 2 图5 4节流器不同进口压力对螺旋槽轴向压力差的影响4 3 图5 5 轴向位移与载荷之间的关系4 4 图5 6 轴向位移与流量之间的关系。4 5 图5 7节流器进口压力不同时轴向位移与流量的关系4 5 图5 8 轴向位移与摩擦功率的关系4 7 图5 9 液体静压润滑系统轴向载荷与摩擦功率的关系4 8 图5 1 0 滚珠丝杠轴向载荷与摩擦功率的关系一4 9 图5 1 1 静压螺母结构5 1 图5 1 2 流体静压实验台5 3 硕士学位论文 附表索引 表5 11 l 、1 4 号润滑油的热物理性质。4 6 兰州理工大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所 取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任 何其它个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本课题的研究做出重要 贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明 的法律后果由本人承担。 作者签名：逝械落日期：d 孑年厂月h 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许 论文被查阅和借阅。本人授权兰州理工大学可以将本学位论文的全部或部 分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段 保存和汇编本学位论文。同时授权中国科学技术信息研究所将本学位论文 收录到中国学位论文全文数据库，并通过网络向社会公众提供信息服务。 日期：文年 的间隙便会减小，使得该侧溢出流体的流量随 之减小，那么节流器中通过的流体流量也将随之减小。由于节流器的流量与出入 口压差成正比，而入口处的压力保持不变，故节流器出口处的压力将会增大，即 该侧流体的压力将会增大，同理，另一侧流体的压力将会减小，在两侧压差的作 用下，螺母将会被推向原位置。静压螺母的径向间隙很大，几乎不具备承受径向 载荷的能力。 加压流体进入螺纹间隙后，可形成一层流体薄膜，使螺母浮在流体薄膜上， 与螺杆螺纹完全没有接触，从而实现流体静压润滑的效果。 2 3 适用于高速进给的静压螺母结构 由于本课题主要对液体静压润滑的一些性质特点进行分析论述，故而，以下 所提到螺母结构特点及适用性等等均针对液体而言。 9 高速液体静压丝杠螺母副的研究 2 3 1 采用螺旋槽或油腔的静压螺母 2 3 1 1 螺母结构 普通结构的液体静压螺母螺纹为连通式，其热量主要由系统表面与外界的热 交换以及溢流出的润滑液携带出来。气体与固体材料的换热系数很低，润滑液的 流量又不会很大，当系统因速度过高而产生太多的摩擦热时，便可能因为热量不 能及时的散发出去，而逐渐积聚，引起系统温升过高，影响系统的精度，甚至失 去正常工作的能力。这里将提出一种能够抑制温升的新型液体静压螺母结构，满 足液体静压丝杠螺母副在高速进给系统中的应用要求。 图2 5 所示1 3 1 】是为了实现液体静压丝杠螺母副高速进给而改进的液体静压 螺母结构，其中，图2 5 a 用于速度相对较低的静压螺母；图2 5 b 用于速度相对 较高的静压螺母。两冷却槽中心距为导程的整数倍，在冷却槽与螺母螺纹牙底交 叉处加工出压力油输入孔，并在与之相对的另一侧加工输出孔( 对于图2 5 b 所示 的结构，则是在相邻冷却槽内与之相对的另一侧加工输出孔，两相邻冷却槽之间 通过通流孔连接) 。 冷却液输入孔 冷却液输入孔 润滑液输入孔 润滑液输入孔 输出孔冷却槽 b a 图2 5 改进后带螺旋槽的静压螺母结构 由图中可以看到，为控制系统的温升，螺母内部加工出了相应的冷却槽，螺 母的螺纹被加工出的冷却槽分隔成几段。系统工作时，冷却槽内有一定流速的冷 却液流过，与冷却槽壁面及丝杠表面进行热交换，伴随着热交换的进行冷却液在 流动过程中逐渐被加热，温度升高的冷却液最终由输出口流出。由于液体与固体 l o 硕士学位论文 材料的换热系数比气体高的多，可以使系统与外界的传热速率得到很大程度的提 升，温升得到有效的控制，系统在可以承受的范围内能够保证速度的较大提升。 2 3 1 2 工作原理 丝杠螺母副工作时，外部加压液体由润滑液输入孔注入螺旋槽，进入螺纹间 隙内并形成具有一定承载能力的润滑液薄膜，并将两螺纹表面有效分隔开，保证 系统工作在完全液体薄膜润滑状态。螺纹间隙溢流出的液体由螺纹底隙沿螺纹方 向流入冷却槽，与冷却液一起由输出孔流出( 两端螺旋槽内的液体有一部分由螺 纹底隙沿螺纹方向经端面直接流出) 。由于冷却液的作用，可以很好的将产生的 热量排出，系统的温升得到有效控制，降低了温度对系统加工精度的影响，能够 保证系统正常平稳的工作，并达到更高的进给速度。 2 3 2 采用多孔材料的静压螺母 图2 6 所示，为加入冷却系统的多孔质流体静压丝杠螺母副，螺母的侧面加 工出与螺纹中线垂直的通流槽，并将通流槽的侧壁镀上一层非渗透性材料，以防 止流体由通流槽处溢流出，影响间隙内流体润滑薄膜的形成。冷却液由输入管道 进入丝杠牙顶与螺母牙底形成的底隙，一部分继续沿底隙流动，另一部分则经通 流槽进入螺母牙顶与丝杠牙底形成的底隙，并沿底隙流动，通过对面的通流槽流 入丝杠牙顶与螺母牙底形成的底隙，与该底隙内的冷却液以及由螺纹间隙流出的 润滑液一起经由对面的输出孔流出。在冷却液的流动过程中冷却液吸热温度升 高，螺母及丝杠则由于冷却液的作用温度降低。冷却液可与丝杠螺纹表面直接接 触，能够有效降低丝杠工作表面的温度。 冷却液输入管润滑液输入管 通流槽 输出管道 图2 6改进后采用多孔质材料的螺母结构 1 l 高速液体静压丝杠螺母副的研究 2 4 液体静压润滑的特点 液体静压润滑的承载薄膜由外界向润滑表面间通入加压液体强制形成，具有 其它润滑形式无可比拟的优越性，只要设计得当，可以完全避免磨损。其主要特 点在于： ( 1 ) 完全流体润滑，摩擦系数小，传动效率高，几乎不存在磨损问题。 ( 2 ) 润滑薄膜具有减震性能，其振动和噪声比其它采用非流体润滑形式小。 ( 3 ) 系统产生热量相对较少，有效降低了温升对系统精度造成的影响。 ( 4 ) 无“蠕动 现象，传动精度高，精度保持性能好【3 引，适用于精密传动， 可微调。 ( 5 ) 润滑膜具有包容加工误差的作用，通过适当的增大流体薄膜刚度，可以 保证在存在误差的情况下螺母螺纹依然能够与丝杠完全啮合。 ( 6 ) 流体薄膜刚度与行程无关，非常适用于大行程传动。 采用流体静压润滑的丝杠螺母副，需要压力稳定、过滤严格的供压系统；需 要采用冷却装置保证外部供压系统的温度恒定。由于加工工艺较复杂，一般只用 于直径较大的精密传动丝杠。 2 5 本章小结 本章着重介绍了流体静压螺母的结构特点，并在其基础上进行了相应的结构 改进。改进后的静压螺母，除具有普通结构静压丝杠螺母副的摩擦系数小、发热 量低，摩损少、寿命长，减振性能好、噪音低等特点外，还采用了冷却系统，使 系统温升能够得到有效控制，螺母可以在更高速度下平稳的工作。 硕士学位论文 3 1 概述 第3 章系统特性分析 流体静压润滑也被称为外部供压润滑，其润滑膜是依靠外部压力供应系统建 立。在运动速度极低或是静止的情况下均能产生巨大的承载能力，由于系统一直 工作在完全薄膜润滑状态，可以认为系统不存在磨损情况，具有极长的使用寿命。 静压润滑系统具有的缺点是需要复杂的供压系统，承载能力要求越高，所需的供 应压力越大，设备越复杂，进而实现起来也就越困难。 3 2 流体力学润滑方程之动量守恒方程 无论流体还是固体，从微观构造上来说，都是由分子或原子构成的。分子或 原子间距远远大于其本身，故而，从微观上来说，物质都是非连续的。物质中的 分子不断的进行无规则的热运动，而这种不规则运动具有各向几率均等性。许多 取决于流体分子热运动的流体物理性质都是统计平均的结果，从宏观意义上来说 这些统计物理量具有充分的连续性。因此，流体本身的宏观力学性质可以在这种 连续性的假设基础上进行分析研究。 动量守恒方程在流体力学中常被称为纳维一斯托克斯方程，简称n s 方程【2 们。 由于动量是矢量，故分解到直角坐标系的三坐标中，动量守恒的形式是： a u l f ， a la l a u l 、 秒2，a y 2 a y 2 、 p 百邮胪而 2 赢蜘3 蕊j + 而i 们i 叫2 i j + t ，3 ，a x la x 3 、1 一l u l 一一 3 i i o 石3 x li缸3缸lj i 胁瓦b 去( x z x 砒) + 素( x 。x 胁) + 去( x 飘) + x 舭尝+ x 巧。3 塑一x 盯2 2 堂一x 盯型坠1 ( 3 1 ) 缸3缸l缸lj a t ，2f ， a 秒2 a u 2a t ，2 、 3，a x 2 a y 、 p 百邮l i 们而：蜘2 瓦磊蜘3 赢_ j + 瓦i i 优i 叫3 ij + 秒l ，a x 2谜i 、1 一l 2 一 l 一| i x 2i缸l缸2j l 2 + 而b 去( x z x 舭) + 去( x s x 厢龆) + 去( x t x 咖) + x 砌尝+ x l x 2 x 3l 缸l 、7 缸2 、7 缸3 、 7 缸3 高速液体静压丝杠螺母副的研究 工盯2 l 丝一x 岳3 3 兰垒一z 盯l i 塑i ( 3 2 ) 缸l觑2缸2l a t ，3 l ， a 秒3 d 3 a t ，3 、 t ，l f ，a 3 a x l 、 p 一+ p l l l 一+ t ，2 + t ，3 一l + 一i 3 一一t ，l l + 以 。ii x l 缸l 石2 缸2x 3 舐3jx 3 x li缸l缸3j t ，2 ，疆3谜2 、1 一l t ，3 一一t ，2 一i i 。 x 2 2 3l缸2缸3j i ，+ 葡杀 去( x 必舭) + 去( z 。x 仃船) + 去( x - z 舭) + 工锄警+ x 仃。：掣垒一x 盯。罢坠一x 仃：。望垒1 ( 3 3 ) 畎2戤3戤3i 以上诸方程中，p 是流体的密度，石( f = 1 ，2 ，3 ) 为拉梅( l a m e ) 因子，f 为时间， 厶( f = l ，2 ，3 ) 为作用在单位质量流体上的彻体力，和( f = l ，2 ，3 ，j = l ，2 ，3 ) 是应力张量的分量。 拉梅因子蜀是联系曲线弧素比t 和坐标如的因子，即 也l 一赫 ( 3 4 ) 妊的嘉汰式为 石一 应力张量分量的值由以下式子确定 t p + 2j c lg 一一p + 2j c l8 = 一p + 2 g 式中，p 一系统压力 卢流体的动力粘度 v 一算子，其定义是v n i 基+ 优i 基+ 自i 基 毋一单位矢量 珊一应变率张量的分量 勋的取值由下式确定，即 1 4 ( 3 5 ) ( 3 6 ) 秒 影 w v v v “ 心 232323 2 3 l l 2 3 s g g “ 2 2 2 毒 皇 昌 l z 3 2 3 l 了f f 昌 = 皇 2 3 l l 2 3 f 了z 硕士学位论文 a ”l”2a x l 乇，3 a x l x l 缸lx 1x 2 缸2x lx 3 缸3 a 23a x 2ia x 2 x 2 觑2x 2 石3 缸3x lx l 缸l d 秒3t ，la x 3u 2a x 3 x 3 缸3x 3x l 缸lx 3x 2 缸2 印一如= 去【豢去( 曩) + 釜去( 豢) 】 乳2 吣1 22 i l i 石i 瓦j + 瓦面l i j l p 一抛一言【妻去( 景) + 熹去( 量) 】 黝吣3 2 。虿i 瓦磊l ij + i 磊i 瓦ji 鲫叫。= 去 嘉去( 熹) + 熹去( 景) 】 3 3 外部供压润滑的流体力学基础 ( 3 7 ) 采用外部供压润滑的系统在低速和中速运行时，其内部润滑剂的流态一般是 层流的。这时，润滑剂的动力粘性系数与流动状态无关。在高速运动状态下，由 于润滑剂的惯性作用，其流态可能变为紊流状态，使得系统内部的摩擦力急剧增 大，但随之其承载力也会有相应的增加。 3 3 1 一维流动基本方程 图3 1 矩形截面流动通道 对于直角坐标系嘶z 中的一维流动，有t ，- ；甜，t ，z o ，t ，一0 。故而，动量 方程( 3 1 ) 可以写成【3 3 l p 塑+ 艘塑；塑+ 垫+ 塑 ( 3 8 )p + p h 昌+ + l 0 d j 。以 缸缸 却 瑟 两速液体静压丝杠螺母剐的研冗 由应力应变关系式( 3 6 ) 和( 3 7 ) 可得 “一p + 2 “罢，锄一2 p ( 丢詈) ，饥- zp ( 丢詈) d x izd y ，、二a z ， 根据润滑近似，州缸嘲砂，a 衫瑟州砂，所以式子( 3 8 ) 中只保留f z - ，并 可把它简写成f ，有 d 塑+ 伽丝+ 望；塑( 3 9 ) p i + i + 言2 丽 u 一 对方程( 3 9 ) 的两边在整个通道截面面积彳上积分后，对方程右边利用离散度定 理，并将左面的速度、密度、压力均取平均值者l q 以( 其中留可以为速度、密 度或压力) ，将有 p 塑+ 伽丝+ 望。一旦f ， ( 3 1 0 ) p i + 面+ 言一蓄仉 u j w 式中，n 一包围面积4 的周界 f ，一周界上的剪切应力的平均值1 3 4 1 ，其方向与z 相反 根据水力学直径幽【3 5 】的定义幽一4 4 兀，方程( 3 1 0 ) 可写为 d 盟+ 伽丝+ 望；一生( 3 11 ) p i + 肛面+ 吉一i u h u 对于定常流动而言，流体速度为与时间无关的常量，故有州抛一o ，则方程 ( 3 1 1 ) 成为 一勿一詈d ( 斗+ 等出 ( 3 1 2 ) 由一维连续性方程，质量流a 州= 常数，故惯性项可写为 铷2 ) = 纠著) _ - 筹( 弛州h 么) 对于多变流动，有p - c i p 枷，所以 拙p = 拙( 印枷) z 弛( p 枷) 一嘉拙( p 似咖) 动量方程可表示成为以下形式 一熹d ( 伽) ；一摹【南洮( p 跏) 讹小等出 ，在流体力学中。表面剪应力可以表示成1 2 8 1 1 6 硕士学位论文 f - 一只寺俨2 ) ( 3 1 4 ) 式中： 一摩擦系数，它是雷诺数触【5 2 l 的函数。 3 3 2 一维层流动量方程 对于层流流动其摩擦系数f 2 0 】可以写成 c f - 纠胎 ( 3 1 5 ) 式中：亭是与截面形式有关的常数， 亭。j 2 4 矩形截面的缝隙 ( 3 1 6 ) 苫2 1 1 6圆形截面管 u j 刚 雷诺数是以平均流速t ，和水力学直径如定义的，即 舷，丝堕( 3 17 ) 肛 式中：一流体分子动力粘度 幽一流通截面的水力学直径 特征速度u 取运动速度的平均值，如的取值为间隙的两倍，即2 日。由此可见， 该公式只与表面的相对运动速度及间隙大小有关。 将式( 3 1 6 ) 、( 3 1 7 ) 以及连续性方程一肛“= 常数代入式( 3 1 4 ) ，可得出 层流下的表面剪切应力 f - - 墅亟 ( 3 1 8 ) 。2 p a 矗甚 再将式( 3 1 8 ) 代入方程( 3 1 3 ) ，即可得到润滑剂的定常一维层流流动的动量方程 一器d ( p 跏) 一一暑陆拙( p ( + l 伽) 舶小等出 式中的常数 q 目删纠。志咖 ( 3 2 0 ) 3 3 3 等矩形界面缝隙中的高速层流流动 由于本课题所涉及缝隙为等矩形截面，故在此仅对等矩形截面缝隙中的高速 层流流动做相应的讨论。 在矩形截面的缝隙【2 0 】内，亭= 2 4 ，彳一肋，办= 2 日，且日= 缸+ 戤，6 一臃+ x ， 如图3 1 所示。在流体润滑中，一般口的值非常小，因此可以直接以角度值代替， 1 7 向j 墨澈体静地丝杠螺剪副的研冗 但宽度6 的张角则有可能很大，故为斜率。将其代入方程( 3 1 9 ) 则有 一景d ( p 岍) 一 一薯 击d h ( p 蜘) + d k 彳】+ ，2 陬+ 甜) 似+ 触) 。1 矗( 3 2 1 ) 高速层流中，一般流体的惯性影响是不可忽略的。因为截面彳为常数，所以 方程( 3 2 0 ) 右边的dl n 么ao ，口= 一0 ，故积分可得 景( 秒叶摹熹h ( 器) + 警z 纽2 2 ， 对于不可压缩的液体润滑剂，厅呻，d p ，故有 如2 摹+ 孥z 2 3 ， 3 3 4 润滑剂的一维紊流动量方程 建议采用由布拉修斯( b l a s i u s ) 经验公式确定紊流内流的摩擦系数乒【3 6 1 ，即 乒一0 0 7 9 1 胎。0 2 5( 3 2 4 ) 如此，可由式( 3 1 4 ) 得出紊流状态流体的壁面剪切应力为 f wa o 0 3 9 5 5 肛o 2 5 t 7 5 p d 品2 5 彳1 7 5 ( 3 2 5 ) 关系式( 3 2 5 ) 具有通用性，即对于任何形状的截面通道皆可用。将其代入方程 ( 3 1 3 ) ，则有 一景d ( p m 咖) - 一摹 击弛( p m 呐) + 拙寸叫5 8 2 。琵7 5 群5 7 5 出 ( 3 2 6 ) 对于等矩形截面的缝隙，方程( 3 2 6 ) 右边的d l n 彳。0 ，故有， 景( 一p ( + 咖) 一 南南h ( 琴) + 0 0 嘶，删册日气 2 7 ， 3 4 流体静压润滑的工作原理 1 8 硕士学位论文 流体静压薄膜润滑，其性能不依赖于系统的运动，而是取决于外部供应系统 的出口压力和出口流量。为保证系统的正常运行，润滑膜须具有以下两个特点： 其一，具有足够的承载能力，承载能力是保证系统完全薄膜润滑，不产生磨损的 必要因素，它要求尽可能充分的利用外部供压系统的出口压力。其二，具有足够 抵抗外部载荷变化的刚度，刚度是承受外载荷变化的能力，若刚度不足则难以保 证外载荷变化时润滑膜不被破坏，因此，从刚度的角度来看则不能完全的利用供 压系统的出口压力，必须有一部分用来作为提高承载能力的储备。若没有这种储 备，系统将不具有刚度，也就失去了抵抗载荷变化的能力。利用承载换取刚度， 通常采用的方法是使用压力补偿装置，即节流器。按工作原理区分，节流器不外 乎两种：一种是利用缝隙f 3 7 】或毛细管【3 引，造成润滑剂的沿程压力损失而使压力 降低；另一种是通过孔口或短管，利用惯性流动将润滑剂的位能转化成动能而造 成压力下降。 无论哪种类型的节流器，其压力降都与流量相关联：流量越大，压力降越大； 反之，压力降则越小。显然，节流器的压力降越小，则进入润滑膜部分的压力越 高，而润滑膜的承载能力亦随之提高。 不管滑动轴承，还是静压螺母，其内部流动通道实际上都是缝隙。润滑剂在 缝隙中的流动主要为粘性流动，沿程压力损失使润滑剂的压力由间隙压力降到流 出间隙的环境压力，这种形式的缝隙节流被称为内部表面节流。由于流体静压螺 母所受的轴向载荷由静压螺母每扣螺纹的侧面共同承受的，所以，可以将其视为 多环式静压止推轴承。 静压丝杠螺母副和静压推力轴承的原理相似，这里仅对本课题涉及的静压丝 杠螺母副进行相应的论述。 3 4 1 丝杠螺母副无负载时的性能分析 静压丝杠螺母副的螺牙是梯形的，油腔呈螺旋形，润滑液的流量与螺牙牙型 半角y 和螺旋升角妒有关。因本课题主要是对静压丝杠螺母副高速化的可行性分 析、研究，因此，仅对其结构之一的螺旋形油腔静压螺母进行分析。 流体静压丝杠螺母副不承受外部载荷时，润滑剂沿径向向内和向外流出，其 压力分布为： ( 1 ) 在d z d d - 范围内，每一扣螺纹一侧压力分布( 向外流出) 为 p 2 一l 。p e 型 ( 3 2 8 ) l l l d l d 2 而 n 。鱼丝垡! 竖堡翌l i l 生 ( 3 2 9 ) 刀曰；c o s 47 ， d 2 高速液体静压丝杠螺母副的研究 图3 2 流体静压螺母轴向压力分布图 式中，r 一螺旋槽内流体压力 d - 一丝杠螺纹外径 d ：一螺旋槽外径 一润滑液粘度 吼一润滑液径向向外流出的分量 h o 一初始状态下润滑液膜厚度( 轴向间隙) ( 2 ) 在d o 时，这部分多余的热量一部分便会被系统吸收 转化成为内能，使系统温度升高，增大系统与外界的温差，热流量中及流体携带 出去的热量西亦随之增大，直至达到一个温度f ，系统处于该温度时，热流量圣 与流体携带出去的热量币之和刚好和摩擦功率p 曩相等，此时，温度芒与初始温 度芒。之间的温差芒即为系统温升。 4 1 2 润滑剂粘度与温升 4 1 2 1 粘度对温升的影响 粘度是润滑剂的重要特性，粘度的大小直接影响润滑剂的流动性及摩擦面问 形成的润滑膜厚度，在保证系统正常工作的过程中起着举足轻重的作用，能否正 确合理的选择润滑剂将会直接影响到系统的精度、承载能力以及系统所能达到的 最高工作速度。 在液体润滑过程中，温度的变化通常受到两个因素的影响：一个是润滑剂内 部的摩擦；另一个是热力学原因，即润滑剂在工作过程中受到压缩和膨胀伴随的 高速液体静压丝杠螺母副的研究 温度变化。对于可以视为不可压缩的液体润滑剂，内部摩擦是其产生热量而导致 温升的关键。 润滑剂的内部摩擦力随粘度的升高而增大，因此，系统所能达到的最高工作 速度也就随着润滑剂粘度的增大而降低，也就是说，欲达到更高的工作速度就需 要选择粘度相对较低的润滑剂，但是，随着润滑剂粘度的降低，对整个供压系统 的密封性要求则又会变得越来越严格，因此，合理选择润滑剂的种类是影响到系 统正常工作及提高最高转速的关键。 4 1 2 2 温升对系统性能的影响 温度变化对润滑性能的影响主要有两个方面。一个是改变润滑剂的粘度：液 体润滑剂的粘度随着温度升高而降低，并且现象比较显著。另一个方面是温度变 化造成系统结构内部的温度分布不均，从而使系统产生热变形。此外，温升使得 润滑剂内部所含的可挥发成分的饱和蒸汽压升高，溶于其中的气体溶解度降低， 可能造成润滑膜的破裂点提前。液体润滑剂温度升高使粘度降低，导致雷诺数的 增大，促进流态向不稳定的湍流状态转变，在一定程度上补偿了粘度下降造成的 影响。 4 1 3 传、导热方式对温升的影响 中低速系统，温升变化一般不是很大，因此，很少采用冷却等方式辅助系统 控制温升。对于高速甚至超高速系统，摩擦产生的热量不再是一个可以忽略的影 响因素，必须采取相应的措施加快系统散热，以保证其正常工作，其中，采用冷 却系统是最直接也是最有效解决这一问题的方式。 4 2 与系统温升相关的传导热方式 4 2 1 通过平板的导热 早在1 8 8 2 年，法国的数学一物理学家傅里叶就经过实验，提出了平板导热的 傅里叶公式【4 3 1 ，即 西一从似一知2 ) 6 ( 4 1 ) 式中：圣一热流量，即单位时间通过一定面积的热量，单位为j s 1 或w a 一热导率，又称为导热系数，单位为w ( m 2 k ) 4 一垂直于热流方向的截面面积，单位为m 2 如h 如z 一两侧壁面温度，单位为 6 一平壁厚度，单位为m 单位时间内通过单位面积的热流量称为热流密度，用符号口表示，单位为 w m 2 。将傅里叶导热公式按热流密度形式表示，则为 硕士学位论文 q - 詈一加一觚) 6 ( 4 2 ) 由公式不难看出热流量中与导热面积彳及壁面两侧的温度差l 加一“z i 成正 比，与壁厚6 成反比。导热系数a 是一种物性参数，由材料本身性质决定，其数 值反映了材料的导热能力的大小，数值越大则导热性能越好。 4 2 2 对流换热及热阻 4 2 2 1 对流传热过程及传热系数 t f ，u t _q t f o c = 卸 r c = 1 h a 图4 1对流换热示意图 系统的传热过程中，当流体流过与其温度不同的固体表面时，与固体表面之 间会产生热量传递，该过程被称为对流换热。对流换热过程中传递的热量饥采 用17 0 1 年提出的牛顿冷却公式【4 4 1 ，如图4 1 所示。 该公式为：西一 彳( if w f ，1 ) ( 4 3 ) 或 西= j l 彳a f( 4 4 a ) 口= f ( 4 4 b ) 式中： 一对流换热系数，或称表面传热系数，简称换热系数，单位为w ( m 2 k ) 彳一与流体接触的固体表面积，单位为m 2 如、f ，一分别为固体表面温度和流体温度，单位为 舌一壁面与流体的温差( 恒为正值) ，单位为 换热系数的大小表示对流换热的强弱，与换热过程中的许多因素有关。它不 仅取决于流体的物理性质( a 、，7 、p 、o 等) 以及换热面的形状与位置，而且还 与流速有密切关系。 传热过程一般包括三个串行环节【4 5 l ：从高温流体到高温表面的热量传递 过程；高温表面至低温表面的传热过程；低温表面与低温流体的热交换过程。 设备正常运行时，各部分温度、压力等参数基本上是不随时间变化的，因此，热 传递过程中，温度也几乎不随时间而变，这样的传热过程称为稳态传热。稳态传 高速液体静压丝杠螺母副的研究 t f l ( a ) 一 g t f l l h l t l6 入t ，2 1 h 2 t f 2 ( b ) 图4 2 传热过程示意图 ( a ) 传热过程；( b ) 传热过程热阻图 热过程，通过串联各环节的热量是相同的。如图4 2 【4 5 j 所示，假设平壁的面积为 彳，i i l t 为热流体到高温表面的热传递系数，i l z 为低温表面与低温流体的热交换系 数，分t 、移z 分别为高温流体和低温流体的温度，加、知z 分别为高温表面和低温 表面温度。则传热过程三个环节的热流量表达式为： 西= 1 彳( 力l f w l ) ( 4 5 a ) 垂aa 么( f w l f w 2 ) 6 ( 4 5 b ) m 一i i2 彳( f w 2 一“2 ) ( 4 5 c ) 将式( 4 5 a ) 、式( 4 5 b ) 、式( 4 5 c ) 联解消去如t 、知2 可有： 西一孚料 ( 4 6 a ) la 2 或 g 一 告 ( 4 6 b ) 1a 2 这里令 则有 k 一击 一+ + 1a 2 ( 4 7 ) 硕士学位论文 西一4 k ( 打l 一打2 ) ( 4 8 a ) 或 口一k ( 幻一玎2 ) ( 4 8 b ) 式中：k 为传热系数，单位为w ( m 2 k ) ，数值上等于冷热流体间温差为1 ，换 热面积为1 m 2 时的热流量值。 4 2 2 2 热阻 仿照直流电路的欧姆定律，= 豢，可以将式( 4 8 a ) 、式( 4 8 b ) 改写为 西一竿 ( 4 9 a )西一【4 9 a ) k 彳 g 一竿 ( 4 9 b ) i 以上两式中，热流量m 对应电流强度，出对应电压，击或壶对应电路中的 电阻刀，称之为传热热阻，或简称热阻。去为整个传热面上的热阻，去