（机械电子工程专业论文）球面摩擦副工作机理及在静平衡仪中的应用研究.pdf

i 独创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究工作所取得的成果。除文中己注明引用的内容以外，本论 文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文 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结果由本人承担。 学位论文作者签名：曼丹 日期：卞易月2 日 i 研 指导教师： 姓 2 0 0 7 年6 月 研究 f r i c t i o n 弋 鉴于传统卧式大型静平衡仪的检测精度低，检测方法繁琐等缺点，本文提出 了高精度巨型转子静平衡仪的构想。静平衡仪的核心元件是球面摩擦副，其流动 特性对静平衡仪的设计和检测精度有很重要的影响。 本文对大型转子静平衡仪的球面摩擦副进行研究，为高精度大型转子静平衡 仪的设计和静平衡检测提供了理论基础。 首先，本文对大型转子静平衡仪球面摩擦副的静态特性进行了研究，运用球 坐标系下的纳维斯托克斯方程组推导出静压支承球面摩擦副油膜支承反力的求 解方程，同时对静压支承球面摩擦副油膜支承特性和油膜刚度进行分析，研究了 毛细管节流器、球面副结构参数对支承特性和油膜刚度的影响。 其次，本文分析了球面摩擦副的失效形式，其中包括磨损失效、泄漏失效和 温升失效，然后提出了相应的设计策略，选择了球面摩擦副的材料，给出了油膜 厚度、无因次压力比和密封带的尺寸。 接着，本文设计了一种新型球面摩擦副一柱面一球面摩擦副的结构，并分析了 柱面一球面摩擦副的静态特性，然后对柱面一球面摩擦副与面接触球面摩擦副分别 从承载能力、摩擦性能和机加工工艺进行比较，得出了柱面一球面摩擦副的各项性 能要优于面接触球面摩擦副的结论。 最后，应用相似性原理，搭建了开展静平衡仪球面副摩擦机理研究的实验装 置，完成了测量系统的设计，同时设计了静平衡仪的摩擦力矩、灵敏度和分辨率 实验，对理论分析进行了实验验证。 关键词：静平衡仪，巨型转子，球面摩擦副，静态性能，柱面球面摩擦副、 实验研究 江苏大学硕士学位论文 a bs t r a c t b e c a u s et h et r a d i t i o n a lh o r i z o n t a ls t a t i cb a l a n c i n gm a c h i n ef o rh u g er o t o rh a ss o m e s h o r t c o m i n g s ，s u c ha sl o wm e a s u r i n gp r e c i s i o na n di n c o n v e n i e n tm e a s u r i n gm e t h o d ， h i g hp r e c i s i o ns t a t i cb a l a n c i n gm a c h i n ei sp u tf o r w a r di n t h i sp a p e r t h es p h e r i c a l f r i c t i o np a i ri st h ek e yp a r to fs t a t i cb a l a n c i n gm a c h i n e ，a n dt h ef r i c t i o na n df l o w c h a r a c t e r i s t i c sh a v ei m p o r t a n ti n f l u e n c e so nt h ed e s i g na n dm e a s u r i n ga c c u r a c yo fs t a t i c b a l a n c i n gm a c h i n e s o ，s t u d yo ns p h e r i c a lf r i c t i o np a i ro fs t a t i cb a l a n c i n gm a c h i n ef o rh u g er o t o rw a s d o n ei nt h i sp a p e r i tw i l lp r o v i d es o m et h e o r e t i c a lf o u n d a t i o n sf o rt h ed e s i g no fh i g h p r e c i s i o ns t a t i cb a l a n c i n gm a c h i n ef o rh u g pr o t o ra n dt h ep r a c t i c eo fs t a t i cb a l a n c e d e t e c t i o n f i r s t l y ，t h e r ea r es o m er e s e a r c h e so ns t a t i cc h a r a c t e r i s t i c so fs p h e r i c a lf r i c t i o np a i r b ya p p l i c a t i o nn a v i e r - s t o k e se q u a t i o n su n d e rt h es p h e r ec o o r d i n a t e ，t h ec a l c u l a t i o n f o r m u l ao ft h es u p p o r tl o a do ft h eo i l - b o u n df i l mo ft h es p h e r i c a lf r i c t i o np a i rb a s e do n h y d r o s t a t i cb e a t i n gw a sd e d u c e d s u p p o r tp r o p e r t ye q u a t i o no ft h i ss p h e r i c a lf r i c t i o n p a i rw a ss e tu p a tt h es a m et i m e ，t h ef o r m u l ao ft h eo i lf i l mr i g i d i t yw a s e s t a b l i s h e d a n dt h ee f f e c t so fc a p i l l a r yt u b ea n ds t r u c t u r ep a r a m e t e r so fs p h e r i c a lp a i ro nt h e s u p p o r tp r o p e r t ya n d o i lf i l ms t i f f n e s sw e r ei n v e s t i g a t e d s e c o n d l y , i n a c t i v a t i o nf o r m a to fs p h e r i c a lf r i c t i o np a i rw a sa n a l y z e d ，s u c ha sw e a r i n a c t i v a t i o n ，l e a k i n a c t i v a t i o na n de l e v a t e d t e m p e r a t u r ei n a c t i v a t i o n ，a n d t h e n c o r r e s p o n d i n gd e s i g n i n gs t r a t e g yw a sg i v e no u t ，m a t e r i a lo fs p h e r i c a lf r i c t i o np a i rw a s e l e c t e da n do i lf i l mt h i c k n e s s ，n o n d i m e n s i o n a lp r e s s u r er a d i oa n dt h ed i m e n s i o no f s e a l i n gs t r i pw e r ed e s i g n e d t h i r d l y , an e ws p h e r i c a l f r i c t i o np a i 卜c y l i n d r i c a l - s p h e r i c a lf r i c t i o np a i rw a s d e s i g n e d ，a n ds t a t i cc h a r a c t e r i s t i c so fc y l i n d r i c a l s p h e r i c a lf r i c t i o np a i rw a sa n a l y z e d f u r t h e rm o r e ，c o m p a r e dw i t hs p h e r i c a lf r i c t i o np a i ri ns u p p o r t i n gc a p a c i t y , f r i c t i o n a l b e h a v i o ra n dp r o c e s s i n gt e c h n i c ，i td r e wt h ec o n c l u s i o nt h a tc y l i n d r i c a l - s p h e r i c a l f r i c t i o np a i rw a sb e t t e rt h a ns p h e r i c a lf r i c t i o np a i r f i n a l l y , t h ee x p e r i m e n t a le q u i p m e n tw a ss e tu pw i t hs i m i l a rp r i n c i p l e ，a n dt h ed e s i g n o ft e s ts y s t e mw a sf i n i s h e d w h a t sm o r e ，t h es c h e m et om e a s u r et h es t a t i cf r i c t i o n t o r q u e ，s e n s i t i v i t yr e s p o n s ea n dr e s o l u t i o no ft h es p h e r i c a lp a i rw a sd e s i g n e d ，a n dt h e e x p e r i m e n t a lr e s u l tw a sc o r r e s p o n d e n c e w i t ht h e o r e t i c a la n a l y s e s k e yw o r d s ：s t a t i cb a l a n c em a c h i n e ，h u g er o t o r ，s p h e r i c a lf r i c t i o np a i r , s t a t i c c h a r a c t e r i s t i c s ，c y l i n d r i c a l s p h e r i c a l f r i c t i o n p a i re x p e r i m e n t a l r e s e a r c h ? a 入 _ i f 产 江苏大学硕士学位论文 目录 第一章绪论。1 1 1 转子不平衡的危害1 1 2 转子静平衡仪的发展概况1 1 3 传统卧式静平衡仪与高精度巨型转子静平衡仪的比较4 1 3 1 传统卧式静平衡仪4 1 3 2 高精度巨型转子静平衡仪5 1 4 液体静压支承与液压摩擦副的关系6 1 5 液压摩擦副的研究进展6 1 5 1 滑靴副的研究概况6 1 5 2 配流副的研究概况7 1 5 3 柱塞副的研究概况8 1 5 4 球铰副的研究概况8 1 6 本课题研究的目的和内容9 1 6 1 本课题研究的目的9 1 6 2 本课题研究的内容1 0 第二章静平衡仪球面摩擦副的静态特性分析1 1 2 1 静压支承的工作原理1 1 2 2 静压支承球面副结构1 2 2 3 球面摩擦副承载力的求解1 3 2 4 球面摩擦副的支承特性方程1 9 2 5 球面摩擦副油膜刚度2 2 2 6 本章小结2 4 第三章球面摩擦副的失效分析及设计策略2 5 3 1 球面摩擦副的失效分析2 5 3 1 1 球面摩擦副的磨损2 5 3 1 2 球面摩擦副的泄漏2 5 3 1 3 球面摩擦副的温升2 6 3 1 4 静摩擦力矩对球面摩擦副影响2 8 3 2 球面摩擦副的设计策略2 8 江苏大学硕士学位论文 3 2 1 球面摩擦副材料的选择2 8 3 2 2 合理选择和设计油膜厚度2 8 3 2 3 合理选择无因次压力比2 9 3 2 4 合理设计摩擦副间密封带的尺寸2 9 3 3 本章小结2 9 第四章新型球面摩擦副的数学模型及仿真分析3 0 4 1 柱面球面摩擦副的物理模型3 0 4 2 柱面球面摩擦副的静态特性的数学模型3 0 4 2 1 柱面球面摩擦副的泄漏特性方程3 0 4 2 2 柱面球面摩擦副的承载特性方程3 3 4 2 3 柱面球面摩擦副的功率损失方程。3 4 4 3 柱面球面摩擦副的静态特性的仿真分析。3 5 4 3 1 泄漏量随油膜变化的仿真分析3 5 4 3 2 泄漏功率损失随中心油腔压力变化的仿真分析3 7 4 3 3 密封带压力分布的仿真分析3 7 4 3 4 泄漏量随温度变化的仿真分析3 8 4 3 5 功率随温度变化的仿真分析3 9 4 4 柱面一球面摩擦副与球面摩擦副的特性比较4 0 4 4 1 摩擦副承载能力的比较4 0 4 4 2 摩擦性能的比较4 0 4 4 3 对机加工工艺的要求的比较4 1 4 5 本章小结4 2 第五章静平衡仪摩擦副的实验研究。4 3 5 1 弓i 言4 ：； 5 2 试验系统的组成与原理4 3 5 2 1 静平衡仪试验装置的结构和原理4 3 5 2 2 液压回路系统4 4 5 2 3 试验装置的测量系统4 6 5 3 主要测试仪器及性能参数4 6 5 3 1 称重传感器4 6 5 3 2 数据采集卡4 7 5 4 静平衡仪摩擦力矩的测定。4 7 5 4 1 试验条件4 7 i v i ， 从 产 4 7 4 9 5 1 5 7 实际试验装置5 1 5 8 本章小结5 3 第六章结束语5 4 6 1 研究工作总结5 4 6 2 课题展望5 5 参考文献5 6 攻读硕士学位期间成果与论文5 9 致 v 卜 ， l 、 江苏 大学硕士学位论文 符号对照表 a - 静压支承球面摩擦副的有效承载面积 c 油液比热 西毛细管节流器的直径 e 球面套球心距球头球心的距离 f 球面副的承载能力 f 柱面球面副的承载能力 e - 柱面一球面副的中心油腔的承载能力 e ，e 一柱面一球面副的密封带间隙的承载能力 g 重力加速度 厅球面副的油膜厚度 j l l 柱面一球面副密封带处油膜厚度 ，油膜刚度 k 静压支承的结构参数 墨静压支承的结构参数 三一球心与转子及静平衡仪可动部分的重心的距离 k 一密封带当量长度 厶毛细管节流器的长度 m 转子及静平衡仪可动部分的质量 m 所加配重质量 n - 中心油腔压力 p 一球面副密封带径向压力 p 一柱面一球面副密封带径向压力 刃一油源供油压力 p 压降 q - 球面副密封带压差流量，也即球面副泄漏量 v i 江苏大学硕士学位论文 一 q l 柱面一球面副密封带流量，也即柱面一球面副泄漏量 尺球面副半径 r 毛细管节流器的液阻 尺。球面摩擦副的液阻 尺尼一配重的作用力臂 r 挂重半径 z 试验装置支承处的静摩擦力矩 彤挂重重量 取血- 最小配重重量 磊密封带最小间隙， 口无因次压力比 秒球面副密封带相对于竖直方向的张角 岛球面副密封带初始张角 岛球面副密封带终端张角 y ，油液运动粘度 油液动力粘度 风- 温度为气时的动力粘度 p 油液密度 五油液的粘温系数 v 一 j 、 第一章绪论 本章主要阐述了转子不平衡所产生的危害，并介绍了转子静平衡仪发展的概 况以及对现代两种静平衡仪做比较，另外分析了液压摩擦副的发展概况，在此基 础上提出了本课题研究的目的和研究的内容。 1 1 转子不平衡的危害 随着工业生产和科学技术的发展，现代机器正在向着高速度、高效率、高精 度和大型化方向发展，创造舒适的工作环境己提上日程，因此减小和限制各种机 器的振动，延长机器的使用寿命，降低噪音就显得尤为重要。那么对于船舶、汽轮机 的关键部件一转子必须进行平衡检测。 转子不平衡质量的惯性力或者惯性力矩是造成振动的主要原因，这一点在高 速大型机械如巨型螺旋桨，水轮机尤为突出。如果这种惯性力在机械的运动部分 内部没有得到很好的平衡，则与不平衡相应的力就会作为动载荷作用在机械的静 止部分，从而导致如下不良后果：( 1 ) 造成转子的反复弯曲和内应力，从而引起 转子疲劳，甚至引起转子断裂；( 2 ) 使机器在运转过程中产生过度振动和噪声， 从而会加速轴承等零件的磨损，降低机器的寿命和使用效率；( 3 ) 转子的振动会 通过轴承、基座等传递到基础和建筑物上，从而导致工作环境恶化。例如船用螺 旋桨的静平衡特性如果不佳，将使船舶产生剧烈的振动和噪声，这对船舶的航速、 寿命、航行的平稳性、乘员的舒适性产生严重的影响，对于潜艇，这种不平衡度 产生的噪声甚至是致命的。尽管大型转子运转时的性质是动不平衡，但由于它们 的转速不高、长径比不大，在实用中除非有特殊要求对其做动平衡检测外，一般 只作静平衡检测，将实际存在的不平衡量控制在允许的范围内。因此，对大型转 动构件而言，如何提高其静平衡检测的质量就显得尤为重要。 1 2 转子静平衡仪的发展概况 转子静平衡仪是用于测量转子静不平衡的平衡仪，按其测量结果进行校正， 以改善被平衡转子的质量分布，使转子运转时的振动或作用于轴承的力减少到规 定范围内。而且，它是随着转子尺度大型化以及速度高速化的发展而发展的。按 1 江苏大学硕士学位论文 原理分，可以分为重力式平衡仪和单面离心式平衡仪。其中重力式平衡机是依赖 于转子本身的重力作用，在转子不旋转状态下测量其静不平衡量，包括滚动式和 天平式两种。 ( 1 ) 滚动式静平衡仪 对于静不平衡转子可用一种简单方法确定转子的重心偏移方向。如图卜1 所 示，把转子支承在两个水平放置的摩擦很小的刀承或顶尖上，转子在不平衡重力 矩作用下就会在支承上滚动，直至重心处于最低位置。当测知转子重心的偏移方 向后，就可在重心相反的方向上加上校正块质量，或在重心同侧方向上去掉部分 转子质量重新使转子转动，观察转子是否己被平衡，经反复增加或减少质量，直 至转子在支承上呈随意平衡状态，则转子静不平衡就被校正了。 这种方法一般只能测出转子偏心的方向，而不能确定转子偏心距的大小。再 加上附加的平衡环装置完善上述方法，就是既能确定转子偏心方向，又能测量偏 心距的大小，就形成了一台滚动式静平衡机。 l r寸 一 h n 图l - l滚动式静平衡仪测静不平衡 这种检测方法对于准确度要求不高的中小转子比较方便。但对于平衡准确度 要求较高的大直径、大转动惯量的转子来说就不太合适了，不但平衡周期长，而 且静平衡试验架的制造准确度也要提高，刚性要强，心轴要加粗。同时这种方法 在静平衡时，偏心位置不直观，不平衡量调整不方便乜1 。 ( 2 ) 天平式静平衡仪 这种静平衡仪利用了天平称重原理。其工作原理如图1 2 所示。该静平衡仪 是把转子安装在水平的工作台面上，工作台的支承可使工作台与转子一起在二个 自由度方向倾斜，测量时移动两个在相互垂直方向上的配重块，使工作台恢复到 水平位置，由配重块的重量和位置计算出转子的静不平衡大小和位置。 这种检测方法周期缩短，摆动灵敏，停位准确；同时由于装置简单，影响因 素小，即使支座的端面处于准确度不高的水平状态，其对平衡准确度的影响也是 2 _ 平衡配重 转子静平衡的准 图1 - 2 天平式静平衡仪测静不平衡 从这两种静平衡仪的结构看，其支承形式都是刚性支撑。对于滚动式静平衡 仪来说，把转子支承在摩擦很小的刀承，滚轮或者顶尖上；对于天平式静平衡仪 来说，工作台可由铰支或者钢球支承。这些刚性支承只适用于较轻的转子，而且 由于加工误差和承重变形，这种支承方式不能达到理论上的点接触或线接触的效 果。因此，刚性支承存在着较大的摩擦力，变形大，难以达到很高的平衡精度， 测量精度和灵敏度都较低。由于接触处摩擦力太大，从而导致静平衡检测的平衡 精度已经难以满足转动构件日益大型化、高速化的要求。 对于重型转子，如巨型船用螺旋桨，常采用液压静压支承。液压静压支承具 有低摩擦、承载能力强、抗震能力强等特点，将其应用于大型转动构件静平衡检 测中，改变支承的接触形式，降低摩擦力，从而可以提高静平衡检测的精度。又因 为支承上下件之间基本无相对运动，在平衡过程中转子必然有偏摆，而且，支承 必须具有自位性能，因此，不可能采用常见的平面静压支承，而采用球面支承的 形式。 3 江苏大学硕士学位论文 1 3 传统卧式静平衡仪与高精度巨型转子静平衡仪的比较 1 3 1 传统卧式静平衡仪 目前船厂一般使用卧式静平衡仪来检测螺旋桨的静不平衡量，其平衡装置如 图1 _ 3 所示嘲。 图1 一各平衡轴滚动法平衡装置 1 、1 2 支撑方铁2 、11 轴承支座3 心轴4 、1 0 滚动轴承5 、7 锥形顶块 6 被测螺旋桨8 垫片9 螺母 进行螺旋桨静平衡试验时，它们的组装次序为：借助起重设备将心轴3 左端向 下垂直立于地面平台上一将锥形顶块5 滑套到心轴3 上一用吊车将螺旋桨锥孔大 端向下套到心轴上一依次装上顶块7 、垫片8 、螺母9 并用专用扳手旋紧一使用起 重设备将以上组合体吊至水平一装上左右端滚动轴承一将整个组装体平落至轴承 支座上。从组装次序上看，操作极为不便。螺旋桨重达几十吨甚至更重，心轴约重1 吨，其余附件也需两人以上才能搬动，要进行组装，既笨重、费力、费时，又存在安 全隐患。 4 1 i 从测量原理上说，心轴过重、轴线弯曲均会降低测量精度。 从支承形式看，这种检测法采用刚性支承，在支承处采用导轨与滚轮、心轴 与滚动轴承或钢球与平板的接触形式。这些刚性支承的形式都存在着较大的摩擦 力，变形大，难以达到很高的平衡精度。 1 3 2 高精度巨型转子静平衡仪 鉴于传动卧式平衡仪的种种缺点，我们设计了高精度巨型转子静平衡仪。图 1 净为静平衡仪的结构原理图。 图1 - 簪高精度巨型转子静平衡仪原理图 静平衡仪由悬浮系统，定心系统，液压系统，低压电气控制系统和计算机检 测系统组成。它以流体动力系统为动力，低摩擦悬浮系统为工作机构；利用液压 浮筒式心轴及液压自动锁紧装置对精确定位的转子系统的不平衡力矩进行测量。 检测时，首先由起重设备将螺旋桨吊装在支撑油缸的支撑盘上，经对中后与悬浮 筒锁紧为一体，液压系统向悬浮筒供油，然后支撑油缸回落，使螺旋桨及悬浮机 构处静压悬浮状态，由于静不平衡的作用，螺旋桨会向某个方向摆动，摆动的方 位角就代表了附加质量的方向，而摆动的幅度则反映了静不平衡的程度，摆动幅 5 i 江苏大学硕士学位论文 度和方向可通过计算机检测系统得到，由此可对螺旋桨进行打磨、校正。在校正 时，支撑液压缸上升，顶起螺旋桨及悬浮筒，使其处于稳定状态。 与传统卧式静平衡仪相比，此静平衡仪具有定位准确，测量精度高和灵敏度 高等优点，满足了螺旋桨检测的要求。 1 4 液体静压支承与液压摩擦副的关系 液体静压支承是利用液压摩擦副工作的。对静压支承的应用研究，在一定程 度上说是对静压支承中液压摩擦副的研究。静压支承在具体工程应用中工作性能 的好坏、对具体工程应用的影响，归根到底到底取决于对具体工程应用中的静压 支承中摩擦副机理的研究程度。例如，对高精度巨型转子静平衡仪静平衡检测性 能的研究，在一定程度上就取决于对静压支承球面摩擦副的研究程度。 1 5 液压摩擦副的研究进展 液压摩擦副的研究，是从滑动轴承开始的。1 8 8 3 年，俄国科学家彼得洛夫提 出了润滑的两同心圆柱体间摩擦力的表达式。1 8 8 6 年，著名水利专家r e y n o l d s 根 据托尔实验发表了被称为对建立流体润滑理论具有历史意义的论文，论证了流体 动压力的原理，为流体润滑技术奠定了理论基础【4 l 。 液压摩擦副主要存在于液压马达、柱塞泵、液压缸、静压支承等液压元件中， 例如液压马达泵中的配流副、柱塞副、球铰副和滑靴副。长期以来，对液压摩擦 副的研究一直是国内外液压界研究的热点和难点之一。由于国内外对液压摩擦副 的研究主要集中在液压泵马达的几对关键摩擦副上，它们的研究进展在一定程度 上也就代表了液压摩擦副的研究进展。 一 1 5 1 滑靴副的研究概况 滑靴副是滑靴与斜盘之间的一对液压摩擦副，是研究的热点之一。n a o h i r o i b o s h i 以功率损失最小为目标函数对斜盘式轴向柱塞泵滑靴副进行了优化设计【5 1 。 1 9 7 8 年c j h o o k e 研究了高压条件下的轴向柱塞泵滑靴的润滑问题。在稳念假设 下，通过建立载荷平衡方程、流量平衡方程、力矩平衡方程、力矩平衡方程，求 解r e y n o l d s 方程，得出结论：滑靴副在正常工作条件下滑靴表面要有一定的不平 度，既要有一定的外凸形状【6 】。t k a z a m a 等计算分析了稳念下一般静压推力轴承 6 p 江苏大学硕士学位论文 性能参数受滑块变形、油液种类、倾斜角度等的影响规律，所得出的结论对滑靴 副设计有一定的参考价值【7 。 国内由于对液压摩擦副的机理缺乏深入的认识，使国内的液压产品同国外相 比在性能上有很大差距【8 1 。进入7 0 年代，随着国民经济的发展，迫切需要改进液 压产品陈旧的设计方法，提高产品的质量和性能。针对当时国产马达滑靴副仍采 用机械支承的现状，许耀铭教授从理论上探讨了应用静压支承法设计滑靴副的可 能性，给出了具体的设计方法，以及滑块、阻尼管的结构参数，静压支承刚度和 设计油膜厚度的选取原则【9 】。潘社卫对摆缸式液压马达的球面滑靴副进行静压支承 设计，建立了静压支承数学模型【l0 1 。梁新贵对曲轴连杆滑块的抗倾能力作了理论 上的分析，在已有的无回油槽双油室结构的基础上提出了带回油槽双油室结构， 建立了各自在倾斜状态下的静压支承模型【l 。唐群国建立了更为完整的用于滑靴 副静压支承特性分析的数学模型，在此基础上提出了具有工程应用价值的滑靴副 静压支承最小设计膜厚的确定方法【l2 1 。潘社卫等人建立了液压马达滑靴副流场的 数值模型，通过数值仿真，获得了滑靴副在倾斜状态下的粘度和温度场分布特性， 分析油液的粘温效应对于滑靴副倾斜性能的影响【13 1 。 1 5 2 配流副的研究概况 配流副是指配流盘与缸体之间的一对液压摩擦副，是影响液压马达泵工作性 能的另一个主要摩擦副关于这对摩擦副的研究工作已有将近4 0 年的历史。长期 以来，前苏联、德国、日本、美国及中国等国的有关专家、学者围绕着配流副工 作状况问题，进行了多方面的研究，取得了不少定性的及半定量的理论与实验研 究成果【1 4 , 1 5 】。 早在1 9 6 9 年，j 托马斯就为配流盘的设计提供了一个方向，指出：在缸体 一配流盘摩擦副的辅助支承面上，周期性地引入高压油，通过一定的油槽和油腔 形成压力场来平衡缸体传来的巨大载荷。小林俊一对斜盘式轴向柱塞马达低速时 配流副中油膜厚度的脉动和泄漏量变化作了理论及实验研究，建立了考虑柱塞副 摩擦、支承刚度等因素的数学模型。y a m a g u c h i 提出了应用静压润滑原理在配流副 间形成稳定油膜的思想，文中就主要结构参数和工况参数对油膜的影响作了定性 讨论 1 6 , 1 7 。周士瑜和马砚英 1 8 , 1 9 】用各自的试验装置实测了轴向柱塞泵配流副的油膜 变化规律，证实了实际油膜形状为楔形，斜盘发生了倾斜。陈卓如教授和李元勋 7 江苏大学硕士学位论文 博士提出了倾斜力矩全平衡端面配流机构，并对其摩擦特性进行了详尽的理论和 试验研究口0 1 。1 9 8 9 年，潘华辰给出了一种求解轴向柱塞泵配流副流场压力的通用 方法【2 l 】。 1 5 3 柱塞副的研究概况 柱塞副是轴向柱塞泵马达的柱塞表面与缸孔内表面之间所构成的一对液压 摩擦副。通常情况下，该摩擦副一般处于边界润滑状态。日本横滨国立大学的山 口悖教授曾对斜轴式轴向柱塞泵的柱塞副做过理论分析与实验研究【2 2 】。日本的市 川常雄也曾对斜盘式轴向轴向柱塞马达中的柱塞副进行了实验研究，指出，该摩 擦力的大小随着柱塞离开上死点时缸体的转角和或柱塞行程的增大而增大，同时 还随压差的增大而增大。轴向柱塞泵的柱塞一缸孔副摩擦对球铰副有一定影响， m e z a t o 研究了该摩擦副的润滑机理及影响因素，认为柱塞一缸孔副的摩擦力与转 速、油压、缸体转角有关【2 3 】。针对国内柱塞副研究甚少的不足，浙江工业大学的 胡新华在其硕士论文中对柱塞副的摩擦学进行了研究，主要对变粘度条件下的柱 塞副的泄漏量计算公式进行了修正【2 4 】。 1 5 4 球铰副的研究概况 球铰副是柱塞球头与滑靴球凹所构成的一对球面摩擦副。它承受着连杆与柱 塞间的全部作用力，由于马达泵的额定压力一般很高( 而且现在仍呈升高趋势) ， 受结构尺寸限制，球铰副的承压面积有限，致使摩擦副表面存在很大的接触比压， 在运转时不可避免地存在严重的摩擦磨损。相对于前面两个运动副，人们对球铰 副关注甚少，在研究中往往忽略其影响。然而，由于球铰副与静平衡仪所用的球 面副同为静压支承球面副，尽管它们的工作状况不同，但对球铰副的研究对于静 平衡仪球面副的研究有一定的借鉴意义。 1 9 7 8 年，英国伯明翰大学的c j h o o k e 和y p k a k o u l l i s 教授【2 5 1 ，在对 轴向柱塞泵中滑靴的润滑进行理论分析和实验研究过程中，就考虑了柱塞球头与 滑靴球凹之间的摩擦力对滑靴的倾侧和油膜厚度的影响，得出：球铰中的摩擦力 对滑靴的工作状况起主要作用；该摩擦力的影响随着压力的增大而增大，而随斜 盘倾角的减小和转速的提高而减小。1 9 8 1 年c j h o o k e 通过实验研究了轴向柱 塞泵在额定工况条件下静压支承滑靴的润滑状态，特别考察了滑靴球铰副摩擦力 8 江苏大学硕士学位论文 矩和滑靴离心力对滑靴倾斜的影响【2 6 】。s k o b a y a s h i 等人也对轴 产 ， 向柱塞马达泵球铰 副作了实验研究，分别考察了球铰副配合间隙、表面质量的影响，认为球铰的摩 擦对马达泵低速时滑靴副的泄漏、摩擦损失影响很大。此外，日本长岗技术科学 大学的小林俊一、方义、松本和幸及池谷光荣等人对柱塞球铰副变形、泄漏、摩 擦和损失特性的研究工作比较出色。方义和池谷光荣经过研究指出，静压支承滑 靴的润滑性能，很大程度上受球铰副摩擦性能的影响。松本和幸、池谷光荣对斜 盘式轴向柱塞马达球铰副的摩擦特性及影响因素作了实验研究，发现球铰的摩擦 力矩几乎与柱塞相位角、油液温度无关，而主要取决于供油压力，球铰的摩擦力 矩对滑靴的泄漏及油膜厚度有很大影响。小林俊一等人采用有限元方法，重点研 究了球铰副中弹性变形的分布及其对油膜厚度的影响。1 9 8 0 年，日本的横滨国立 大学山口悖教授研究组在对阻尼管型静压支承滑靴做系列专题研究时，就考虑了 球铰副的摩擦力矩对滑靴倾侧而引起的其底面的静压场的变化和动压效应，得出， 柱塞球头与滑靴球凹之间的摩擦力对油膜的润滑特性和滑靴倾角有较大的影响 【2 7 】 0 国内对球铰副的研究较少。唐群国通过对球铰柱塞连杆副的力学分析，指出 球铰副间的摩擦是导致连杆倾斜、滑靴副静压支承工作稳定性差的根源，根据对 球铰副的热力学分析，认为单纯依靠增大面接触球铰结构接触面积、降低接触比 压，而忽略改善散热条件的做法对球铰副的润滑条件有不利影响【l2 1 。杨国昌在研 究双斜盘轴向柱塞液压马达滑靴副烧盘现象后指出，球头作用力的偏心和摩擦副 元件的弹性变形是烧盘原因。唐群国对线接触和面接触两种球铰副结构的摩擦特 性进行了研究，对它的摩擦力矩和温升进行了实验研究【2 8 j 。胡新华对球铰副的支 承特性进行了详细的研究，且搭建了测量球铰副油膜厚度的试验台阱1 。 1 6 本课题研究的目的和内容 1 6 1本课题研究的目的 从上述对传统的卧式平衡轴挂重法来检测大型转子分析后，我们可以看到传 统的大型转子静平衡检测装置的弊端，它已不能满足对转子静平衡检测精度的要 求。同时，随着对大型转子静平衡精度要求的只益提高，由于球面静压支承的大 型转子静平衡检测装置具有高灵敏度、操作方便和测修一体化等优点，必将在大 9 江苏大学硕士学位论文 型转子静平衡检测方面得到广泛的应用，甚至取代传统的静平衡检测方法。这就 必然要求研究者从新型转子静平衡检测转置的核心部件一球面副出发，探索球面 副的摩擦机理，寻求降低摩擦力矩，提高静平衡检测精度的措施，为大型转子静 平衡检测装置的设计提供一定的依据。同时，也必须开展大型转子静平衡检测装 置球面副在重载、高压下的动力学性能的研究，为进行实际静平衡检测时提供一 定的指导。 球面静压支承作为大型转子静平衡检测装置的关键部件，其结构参数对检测 装置的检测精度有着决定性影响。因此，球面副的摩擦、流动特性及其在大型转 动构件静平衡检测中的应用研究是一件非常有意义的工作。可以这么说，球面副 摩擦机理研究是检测静平衡性能和提高灵敏度的重要环节；对静平衡仪球面静压 支承球面摩擦副机理的研究，对以后静压支承的理论分析和设计有着一定的实际 应用价值。优化球面副结构，对于提高静平衡检测装置的分辨率、灵敏度和降低 能量损耗有重要意义。同时，研究球面静压支承在静平衡检测中的应用，拓展了 静压支承的应用范围，为以后超大型转子的静平衡检测提供了一个新的方向。 1 6 2 本课题研究的内容 本课题主要对巨型螺旋桨静平衡仪中的球面摩擦副进行研究，其主要内容为： 1 对基于球面静压支承的大型转子静平衡仪球面摩擦副结构和流动特性进行 分析，主要包括承载能力分析、泄漏分析、支承特性分析、油膜刚度分析等，探 讨球面副的结构与毛细管阻尼对球面摩擦副参数的影响。 2 对球面摩擦副进行失效分析，并提出了相应的设计策略。 3 对球面副进行改进设计，给出新型球面副的结构，即柱面一球面摩擦副，进 行静态特性分析，并对新旧球面副的静态特性进行比较。 4 在前面理论分析和计算机仿真的基础上，设计巨型转子静平衡仪的物理仿 真模型一球面副试验装置，搭建测量系统，对球面副进行摩擦力矩的测量，同时 进行了静平衡仪灵敏度和分辨率的试验研究，给出具体的试验方法和试验过程。 1 0 球面摩擦副是静平衡仪的敏感元件，其结构对静平衡检测的精度至关重要， 因为其结构影响到球面副间油膜厚度的建立，从而影响到静平衡仪的承载能力。 本章采用静压支承的原理对球面摩擦副进行设计，重点对该摩擦副的静态特性进 行研究。 2 1静压支承的工作原理 流体静压支承技术应用非常广泛，包括静压轴承、静压导轨和静压丝杆等， 称为“三静 技术，具有速度范围宽、承载能力大、运动精度高、抗振性能好和 使用受命长等特点，被广泛地应用于各种机床上。 静压支承是利用流体阻尼器件的合理匹配组合，使一对摩擦副之间形成必要 的流动油膜，并利用这个油膜的压力场，起到对外负载力的支承作用，而油膜本 身又起到对摩擦副的润滑作用。 典型的静压支承，至少包括一个进口阻尼器和一个带有油腔和密封带的支承 面阻尼( 图2 一l a ) 。压力为肼的油液，通过迸1 5 1 阻尼器产生压降，在中心腔内形 成压力见。在n 的作用下，流体通过密封带产生泄漏流量，并在密封带内形成呈 一定变化规律的压力场。这个压力场和中心腔内p 。的压力场共同产生反力，用以 支承外负载力，并在支承面间形成了约为几微米到几十微米的油膜厚度h 。这个 油膜可以把摩擦副的两个固体面隔开，使摩擦副在纯液体摩擦情况下工作，从而 减少磨损，延长摩擦副的工作寿命。 由于密封带内的压力场分布与中心腔内的压力p 。有关，对于具有特定几何形 状的支承，其承载能力决定于中心腔的压力。如果中心腔的压力不变，承载能力 也就不变，但负载往往是变动的，这样，中心腔内的压强不变的支承就不能适应 可变负载。为此必须采取措施，使中心腔内压强在一定范围内能随着外负载的增 减而增减。实现这要求的办法是在中心腔进口前加前置阻尼器，使支承具有双 重阻尼，即前置固定阻尼和支承面密封带可变间隙阻尼的串联组合。后者只要控 江苏大学硕士学位论文 制支承的泄漏量，前者与后者协同调节中心腔的压力p 。 当外负载力增加时，破坏了外负载与流体支承反力的平衡，支承面密封带处 的油膜厚度要减小，与此同时，支承面间的间隙处的流阻增加，泄漏量减小。由 于通过前置固定阻尼器的流量与通过支承面密封带可变间隙阻尼的流量是相等 的，当油膜厚度减小而使泄漏流量也减小时，通过前置固定阻尼器的流量也随之 减小，因此降低了固定阻尼两端的压降，使中心腔内的压力p 。增高，从而使承载 能力相应提高。外负载力与支承流体动反力在新的油膜厚度下，达到新的平衡。 也就是由于采用了双重阻尼，引起中心腔内压力的反馈作用，构成一个自动调节 的闭环系统( 图2 一l b ) ，使支承能适应负载的变化。 ( a ) 静压支承结构承意图( b ) 静压支摹的方块图 图2 一l 静压支承的工作原理 2 2 静压支承球面副结构 图2 2 是常见的球面副结构，球头在球窝之上。这种结构使得支承系统的重心 比较高，对于检测大型转子此结构不是非常合适。 当静平衡仪用来检测重量达到数十吨的大型转子时，为了提高整个系统的安 全性和降低对支撑立柱的刚度要求，球面静压支承不用的传统结构，而采用正立 摆的形式，如图2 3 所示。将球头放置于支撑立柱的顶端，使球头在球窝之下， 这样可以降低整个装置的工作重心。 江苏大学硕士学位论文 i ii p s i 图2 2 球头在球窝之上型图2 3 球头在球窝之下型 2 3 球面摩擦副承载力的求解 静平衡仪球面摩擦副的结构如图2 3 所示。根据油液的实际工作情况，作以下 假定： ( 1 ) 油液为不可压缩粘性流体； ( 2 ) 油液为定常流动，因此沿三个方向有：鲁= 。，鲁= 。，鲁= 。； ( 3 ) 忽略油液质量力，即有毋= o ，岛= 0 ，= 0 ； ( 4 ) 由于油膜厚度很小，因此沿径向r 的流动可忽略不计，即有u = 0 ； 纳维一斯托克斯( n a v i e r - s t o k e s ) 方程是粘性流体的基本动力学方程，为 方便取球面坐标系如图2 4 所示，对于不可压缩流体，球面坐标下的n s 方程 为： z