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哈尔滨理工大学t 学硕士学位论文 静压中心架中间托瓦动压性能研究 摘要 静压中心架是数控机床的重要组成部件，用来支撑细长轴类和转子类的 工件，可以满足高加工精度的要求。其润滑性能直接影响到工件的加工精 度。由于静压中心架的技术是从德国引进的，国内的技术还不是很成熟，目 前性能不是很稳定，很容易对静压中心架的中间托瓦造成损坏。因此，有必 要对工作中静压中心架间隙油膜进行分析。 首先，通过对国内外相关文献的大量阅读，对国内外径向滑动轴承的研 究现状进行了总结，对静压中心架的润滑机理和静压支撑原理进行了详细的 研究，制定了具体的研究方案。 其次，对静压中心架中间托瓦的结构设计进行了详细的研究。其中包括 油腔形状的选择，油腔数目的选择，进油口位置的选择及其在中间托瓦内的 布置。建立了静压中心架中间托瓦的三维模型。给出了本文计算的基本假设 条件和c f x 有限元分析元件的控制方程。由于本文是在湍流的情况下进行 计算，给出了湍流的基本方程。 最后，对静压中心架间隙油膜进行六面体网格划分，对中间托瓦的有效 承载面积进行了计算，对间隙油膜的入口流量进行了理论推导，对中间托瓦 的结构设计提出了改进意见。通过合理的设置仿真边界条件，对间隙油膜的 速度场、压力场和动压力场进行了仿真计算。得出了速度场和压力场的分布 规律、主轴转速、承受载荷、润滑油粘度、封油边宽度、油腔深度以及主轴 偏心率对油腔动压的影响。 通过对静压中心架间隙油膜的速度场、压力场和动压力场进行仿真，可 以得到静压中心架内部流场的流动规律，找到了间隙油膜动压随主轴转速的 增大而显著增大时的临界转速。为工程实际静压中心架甚至开式径向滑动轴 承的优化设计提供了理论依据。 关键词静压中心架；中间托瓦；间隙油膜；动压 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 r e s e a r c ho nd y n a m i cp r e s s u r ee f f e c to fm i d d l e p i l l o wo fh y d r o s t a t i cc e n t e rr e s t a b s t r a c t h y d r o s t a t i cc e n t e rr e s tw h i c hi su s e dt os u p p o r tf o rh e a v y s h a f to rr o t o rp a r t i sa ni m p o r t a n tc o m p o n e n to fc n c i tc a l lm e e tt h ed e m a n do fh i g hp r o c e s s p r e c i s i o n i t sl u b r i c a t i o np r o p e r t i e sd i r e c t l ya f f e c tt h em a c h i n i n ga c c u r a c yo f w o r kp i e c e a st h et e c h n o l o g yo fh y d r o s t a t i cc e n t e rr e s ti si n t r o d u c e df r o m g e r m a n y , o u r st e c h n o l o g yi sn o tv e r ym a t u r ea n dc u r r e n tp e r f o r m a n c e i sn o tv e r y s t a b l e t h em i d d l ep i l l o wo fh y d r o s t a t i cc e n t e rr e s ti se a s yt ob ed a m a g e d t h e r e f o r e ，i ti sn e c e s s a r yt os t u d yt h eo i lf i l mo fh y d r o s t a t i cc e n t e rr e s t f i r s t l y , t h r o u g hl a r g ea m o u n to fr e a d i n gt h er e l a t e dl i t e r a t u r ea n dm a k i n ga s u m m a r yo fr a d i a lb e a r i n g si nc h i n aa n da b r o a d ，t h el u b r i c a t i o nm e c h a n i s ma n d s t a t i cp r e s s u r e s u p p o r t i n g p r i n c i p l eo fh y d r o s t a t i cc e n t e rr e s ta r er e s e a r c h e d d e t a i l e d l y t l l er e s e a r c hp r o g r a mo fh y d r o s t a t i cc e n t e rr e s ti sm a d ei nd e t a i l s e c o n d l y ，t h es t r u c t u r ed e s i g no fm i d d l ep i l l o wo fh y d r o s t a t i cc e n t e rr e s ti s s t u d i e dd e t a i l e d l y , w h i c hi n c l u d i n gs e l e c t i n gt h es h a p ea n dn u m b e ro ft h eo i l c a v i t y , t h ea r r a n g e m e n to f o i lc a v i t ya n do i lp i p ei nm i d d l ep i l l o wo fh y d r o s t a t i c c e n t e rr e s t t h et h r e e d i m e n s i o n a lm o d e lo fm i d d l ep i l l o wi se s t a b l i s h e d t h e b a s i ca s s u m p t i o n sa n dg o v e r n i n ge q u a t i o n so fc f xf i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s s o f t w a r ea r eg i v e n s i n c ei ti si nt u r b u l e n ts t a t e ，t h eb a s i ce q u a t i o no ft u r b u l e n c e i sg i v e n f i n a l l y , t h eo i lf i l mo fh y d r o s t a t i cc e n t e rr e s ti sm e s h e dt oh e x a h e d r a lm e s h t h ee f f e c t i v eb e a r i n ga r e ao fm i d d l ep i l l o wi sc a l c u l a t e d t h ei m p r o v i n g s u g g e s t i o nf o rs t r u c t u r ed e s i g no fm i d d l ep i l l o wi sp r o v i d e d b yr e a s o n a b l ys e t t h eb o u n d a r yc o n d i t i o n ，t h ev e l o c i t yf i e l d 、p r e s s u r ef i e l da n dd y n a m i cp r e s s u r e f i e l da r es i m u l a t e d t h ev e l o c i t ya n dp r e s s u r ed i s t r i b u t i o n ，e f f e c t so fd e p t ho fo i l c a v i t y , l o a d ，v i s c o s i t yo fl u b r i c a n to i l ，w i d t ho f o i ls e a le d g e ，s p i n d l es p e e da n d r e l a t i v ee c c e n t r i c i t yt od y n a m i cp r e s s u r ea r eg o t t h r o u g ht h e s i m u l a t i o no fv e l o c i 哆f i e l d ，p r e s s u r ef i e l da n dd y n a m i c - 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 p r e s s u r ef i e l d ，t h ef l o wl a w o fi n t e r n a lf l o wf i e l do ft h em i d d l ep i l l o wi sg o t t h e c r i t i c a ls p e e do fh y d r o s t a t i cc e n t e rr e s tb e t w e e ns t a b l er e g i o na n do b v i o u s i n c r e a s er e g i o na r er e s e a r c h e d i tp r o v i d e sat h e o r e t i c a lb a s i sf o rt h es t r u c t u r e o p t i m i z a t i o no fh y d r o s t a t i cc e n t e rr e s ta n do p e nt y p er a d i a ls l i d i n gb e a r i n gi n e n g i n e e r i n gp r a c t i c e k e y w o r d sh y d r o s t a t i cc e n t e rr e s t ，m i d d l ep i l l o w , o i lf i l m ，d y n a m i cp r e s s u r e - - 哈尔滨理t 大学t 学硕。i ：学位论文 第1 章绪论 1 1 课题研究的目的和意义 静压中心架的中间托瓦是依靠外部的油泵，通过分油器将压力油输送到各 个油腔，当压力油进入油腔后，油腔的封油面与主轴之间的问隙就会形成油腔 液阻，并且使润滑油充满整个间隙，使主轴与油腔之问形成完全液体摩擦状 念。当油腔压力与油腔面积之乘积超过载荷时，就会使主轴浮起。当静压中心 架所受外载荷增加时，油膜厚度降低，液阻增大，使油腔压力增加以适应增加 了的外载荷。 静压中心架技术是从德国一个公司引进的，结构比较合理。其主要特点是 载能力强，静摩擦极小，使用寿命长，主轴具有较高的旋转精度，油膜的阻尼 特性非常好。对于重型卧式镗车床，由于工件自身很长，重量一般在2 0 4 0 0 吨 之间，工件自身的重力加上主轴的切削力，会使主轴产生很大的变形。但是零 件的精度要求又非常高，形位公差均在0 0 0 7 m m 以下。国内加床要想达到这种 精度非常喇难。 由于静压中心架的技术是从德国引进的，国内的技术还4 i 是微成熟，对一j - 使用环境要求很高，对操作：i ：人的要求也很高，目l j 玎性能刁、= 是很稳定，力| l 卜用 户的使用不当，很容易对静压中心架的中间托瓦造成损坏，由于高速旋转的主 轴具有很大的线速度，在突然失去承载的时候，将会使主轴与托瓦之问产生干 摩擦，瞬间产生高温，点燃润滑油，不仅会造成巨大的经济损失，而且潜藏着 巨大的安全隐患。因此有必要对静压中心架中问托瓦的动压力进行分析仿真， 为静压中心架中间托瓦的优化设计提供理论依据和优化方向。 1 2 国内外研究现状及分析 在国外方面，对静压轴承的研究很早。19 7 9 年s s p a n d e 和 s s o m a s u n d a r a m 研究了具有位置敏感的变液阻节流器径向滑动轴承。这种结构 与简单的轴承相比有一个特别的节流阀。强调了这种径向滑动轴承的优越性1 。 1 9 8 0 年，y s h o 和n n s c h e n 根据承载能力和油膜刚度对六油腔静j k 径向 轴承的一系列动载荷的性能进行了研究，实验结果展示这种轴承在动载倚下的 哈尔滨理- t 人学t 学硕1 j 学位论文 承载性能要优于在静载荷下的承载性能，轴承的承载能力和刚度仅仅由它的机 械强度决定【2 】。1 9 8 6 年，k j m e t m a n 等人采用有限元方法对四油腔静压径向轴 承在固定的且稳速的情况下的油腔压力、承载能力和润滑油的流量进行了分 析。实验结果展示了在具有较高的偏心率的情况下仍然具有较大的承载能力【3 1 。 1 9 8 7 年，m k g h o s h 和n s v i s w a n a t h 研究了油腔容积和可压缩性流体对孔板 节流静压径向轴承的刚度和阻尼特性的影响。分析了不同的振动频率、挤压参 数和油腔容积参数的刚性和阻尼特性【4 1 。1 9 8 9 年，r s i n h a s a n 等研究了四油腔 恒流阀对静压轴承轴瓦的弹性变形的影响。采用有限元的方法求解控制流体流 动的雷诺方程，并且确定了轴承托瓦的变形【5 1 。1 9 9 9 年，s a t i s hc s h a r m a 等认 为在径向滑动轴承的实际计算中，轴承的变形同油膜厚度几乎在同一个数量级 上，因此不可忽视。弹性变形对静压轴承的动态性能和动态性能有着显著的影 响。轴承的结构和同心设计压力比等参数对轴承的最优性能影响很大1 6 1 。2 0 0 0 年，s t a n i s l a ws t r z e l e c k i 等为了使发动机轴承在高温等恶劣条件下工作，对不同 衬套形状的双油叶轴承的压力和温度分布进行了研究，认为这种双油叶轴承在 高速和重载的恶劣环境下仍然具有良好的稳定性【7 1 。2 0 0 3 年，j b o u y e r 和m f i l l o n 对1 0 0 m m 长的径向滑动轴承在稳态且偏心时的流场的性能。主要分析了 径向滑动轴承油膜界面的静压力分布、温度分布、润滑油的流量、油膜厚度和 功率消耗等 刚。2 0 0 3 年，lc o s t a 等为了研究润滑油对径向轴承的影响，分别对 供油温度、供油压力、回油楷的长度和回油槽的位置等进行了研究。研究结果 表明，供油温度对功率消耗、最人油温和最小油膜厚度有很大的影响。供油压 力对最小油膜厚度的影响主要取决于世i 油槽的位置【9 】。2 0 0 4 年，j y j a n g 和 m m k h o n s a r i 用两个无量纲的温升参数对径向轴承的稳态热性能进行了描述。 目的是为最高温度和有效温度之间的快速预测建立表达式。证明了这些表达式 对静压推力轴承和径向滑动轴承的有效性【l0 1 。2 0 0 4 年，n s i n g h 等对在理论上对 不同油腔形状和节流方式的静压径向轴承动静态性能进行了研究，采用有限元 法分别对具有圆形、椭圆形、方形和三角形油腔采用薄膜节流、孔板节流和毛 细管节流三种方式对静压径向轴承性能进行计算。结果表明，径向滑动轴承的 形状对轴承的性能的影响微乎其微。选择一个合适的油腔形状搭配一个合适的 补偿设备可以改善轴承的性能【i 。2 0 0 6 年，l u c aa m b r o s o n i 等设计了一种具有 同轴浮动轴套的静压径向轴承，建立了轴承刚性和柔性数学模型，并且同实验 结果进行了对比【1 2 1 。2 0 0 6 年，m i h a ib d o b r i c a 等采用变网格和有限体j 法的方 法对径向滑动轴承的压力场和速度场分布进行了详细的研究【1 3 】。2 0 0 7 年，y u a n k a n g 等财静压轴承建市了一种改进型薄膜节流流速和液阻数学模型，对供油压 哈尔滨理t 人学丁学硕i ：学位论文 力与流速之间的关系进行仿真，同实验结果和传统方法相比能够更合理地描述 轴承的实际工作状态【1 4 1 。2 0 0 8 年，a b o u z i d a n e 研究了一种具有负电流静压径 向轴承支撑的转子的动态性t i ”1 。 在国内研究方面，1 9 8 0 年许尚贤对静压向心滑动轴承的研究比较早，推导 出来静压计算中需要用到的多个计算公式，包括计算压力和流量等。并且对静 压向心轴承进行了优化设计【1 6 1 。1 9 9 3 年王学浩等通过对径向滑动轴承有轴变形 时的雷诺方程进行求解，并且对其静特性进行了分析。与不考虑轴变形的径向 滑动轴承进行对比，油膜厚度，油膜压力，偏位角和承载能力等方面均有影 响，冈此，在实际应用中应该考虑轴的变形对工况的影响1 1 7 j 。1 9 9 6 年郑银玲等 为了考虑液体摩擦动压向心滑动轴承在设计中的困难，提出了一种方法束简化 设计。介绍了膜厚系数设计法，通过对比传统的方法，经济且高效i 1 8 】。1 9 9 8 年 刘莹等对高速轻载和高速重载下的液体动压径向滑动轴承的静特性进行了计 算，对轻载采用等温、绝热和热传导的方法。对重载而言，热弹性解最适合反 应轴承的状况。理论与实际结果对比吻合效果较好【1 9 l 。2 0 0 0 年王凤才等人对随 动耦合变阶梯径向滑动轴承进行了比较细致的研究，其中包括动力特性研究和 稳定性研究。将研究结果与圆轴承对比，变阶梯结构轴承在温升、流量等多个 方面性能较优。并且具有较宽的绝对稳定的范围f 2 0 1 。2 0 0 0 年郭力等对诈方形、 i 角形、网形和角向小孔四种i l l 腔形状的静爪轴承从流祜、承载能力、刚度和 涡动频率等方面进行了研究。通过对比研究发现，在需要较大的承载能力和刚 度的情况下j 下方形油腔轴承较好，角向小孔轴承的综合性能最优。圆形油腔轴 承在费用，涡动频率等方面优于j 下方形油腔轴承。三角形油腔轴承的综合性能 最差【2 。2 0 0 0 年富彦丽等研究了动压效应对轧辊静压支承的影响，并对其在不 同转速下的压力变化进行了研究。并且得出了动压效应可以有效的增大承载能 力的结论【2 羽。2 0 0 1 年马文琦等人考虑粘度变化和油流惯性，对静压滑环问隙流 场进行了分析，建立了流量分布和压力分布的数学模型，对等粘度、变粘度、 变粘度且变转速时的压力分布进行了分析。得出了压力分布规律【2 3 1 。2 0 0 1 年赵 三星对具有固定瓦块和可倾瓦块的混合型瓦块的径向滑动轴承特性进行了分 析，包括轴承无量纲承载力与最小油膜厚度之问的关系曲线，轴承在不同偏心 率下的流量系数、摩擦阻力系数和平均温升。实验结果与理论结果吻合良好 2 4 1 。2 0 0 4 年李智等人建立了内燃机径向滑动轴承的数学模型，以相对i 、日j 隙、最 小油膜厚度、温度、轴承宽度、轴承孔和轴颈直径作为约束条件，对内燃机径 向滑动轴承进行了优化设计，通过改进型蚁群算法，可以使内燃机的承载性能 达剑最大。此方法筛单且效果1 9 j 硅【2 5 l 。2 0 0 4 年杨建玺等对影响动压油膜j = l l | 承。f e 哈尔滨理t 人学t 学硕i ：学位论文 能的各个因素进行了详细的分析，其中包括润滑油的粘度、轴承宽度、轴承间 隙、轴承直径及轴承结构等方面。通过理论结果与实际工艺的分析对比，提出 了一种合理的结构方式。并将所得的结果应用到实际中，效果较好【2 6 1 。2 0 0 5 年 朱希玲等采用a n s y s 有限元软件和自编子程序相结合的方法，计算出了静压滑 动轴承在一定载荷下的速度场和压力的三维分布规律。对比较薄的油膜的流动 状态进行了仿真，并且与实际结果进行对比，吻合效果较好【2 7 1 。2 0 0 6 年刘宾等 对径向空气轴承的压力场进行了分析，得出了偏心率的变化对压力场分布的影 响【2 8 1 。2 0 0 7 年付坤霞等对考虑温度变化对空气静压轴承的影响，先用f e m l a b 计算出最初的压力场和温度场的分稚规律，在将此结果导入m a t l a b ，设置一 系列收敛条件，得出最终的压力场和温度场。通过理论结果与实际结果的对 比，吻合效果较好。并且得出了气体流过节流孔后，温度有所降低的结论1 2 9 1 。 2 0 0 7 年王基等对镶嵌式复合径向滑动轴承进行了仔细的分析，并且与普通轴承 进行了对比。实验结果表明，这种镶嵌式轴承优势明显【3 0 】。2 0 0 8 年孟凡娟等采 用m a t l a b 进行控制，得到了滑动轴承油膜压力沿轴向和周向的分布规律，并 且得到了宽径比和偏心率的变化对油膜压力沿轴向及周向的分布影响【3 。2 0 0 8 年贾小俊等考虑轴颈的倾斜，研究了其对径向滑动轴承的性能影响，得出了轴 颈倾斜角和偏心率与油膜压力分布的关系曲线，指出当安装船尾轴的时候，应 该尽晕：使轴的倾斜角小，这样可以减少戍力集 1 现象i ”】。2 0 0 8 年的下晓红等人 对静向滑动轴承的静态性能进行了研究，研究时考虑了轴颈倾斜对其的影响。 研究结果表明，当轴颈倾斜时，静向滑动轴承的压力场和温度场等分布变化都 很明显。对其静念性能影u l 匈很大。强调了考虑轴颈倾斜对实际分析的重要性 1 3 3 1 。2 0 0 8 年冯素丽等以最大承载力和最小油膜厚度为基本前提条件，对开式径 向滑动轴承的压力场和速度场进行了数值模拟仿真，结果表明，此轴承动压效 应不明显【3 4 l 。2 0 0 8 年刘德民等采用流固耦合的方法对径向滑动轴承密封的速度 场和压力场进行了详细的研究【3 5 i 。2 0 0 9 年崔风奎等对静态下的球磨机的多个物 理场进行了仿真分析，其中包括压力场和流场，分别对球磨机主油腔、副油腔 和出口流速的流场进行了仿真。通过对轴瓦的各个场的分析可以分析油腔尺寸 大小是否能满足工况【3 6 1 。2 0 0 9 年高葛主要动压轴承的几个参数进行了分析，其 中包括承载能力和动压轴承的主要结构参数。由于结构参数的大小严重影响到 动压轴承的承载能力，指出了多个结构参数选取时应考虑的冈素和选用范围 1 , , 3 7 1 。2 0 0 9 年张毅对汽轮机流体动压滑动轴承的耗油黾系数、液体摩擦系数和承 载量系数等方面进行了优化设计，并与传统的设计方法相对比，其各项参数和 综合性能得到了大大的捉高了1 3 8 1 。2 0 0 9 年庞晓平等人突破了同i j ，j 动l _ t ( t j 承形状 哈尔滨理t 大学t 学硕1 ：学位论文 优化的局限性，对动压轴承形状的数学模型进行了改进，优化后的轴承大大提 高了承载能力1 3 9 l 。2 0 1 0 年郝木明等人通过对密封的结构参数的改变，建立多个 动静压混合润滑密封端面的三维模型。分析了动压槽深度、静压槽深度、动压 槽宽比、静压槽宽比等四个结构参数对密封性能的影响，并确定了这四个参数 的取值范围，达到了对新型动静压混合润滑机械密封结构的优化设计【柚1 。 根据对国内外有关静压滑动轴承文献可以看出，研究内容主要侧重于闭式 径向滑动轴承的流场分析，开式无回油槽径向滑动轴承在静态下的压力场和速 度场的研究。而关于具有轴向和周向回油槽的开式径向滑动轴承的研究很少。 因此，有必要对静压中心架中间托瓦的压力场和动压效应进行分析。本文基于 c f x 流体分析软件对静压中心架中问托瓦的压力场和动压效应进行了分析。 1 3 本研究课题的来源 本课题来源于国家科技重大专项项目“用于港口和船用大型零件加工的超 重型数控卧式镗车床( 编号：2 0 0 9 z x 0 4 0 0 2 0 4 2 ) 以及黑龙江省青年科学基金 “大型恒流静压中心架润滑机理的研究 ( 编号：q c 0 8 c 8 8 ) 。本文主要对“齐重 数控装备股份有限公司 所使用的静压中心架的中间托瓦的动压效应进行仿真 分析。目的是得出速度场和压力场的分布规律，主轴转速、主轴偏心、油腔深 度、承受载荷、润滑油粘度和封油边宽度对静压中心架间隙油膜动压的影响。 1 4 本文的主要研究内容 本课题以齐重数控装备股份有限公鱼生产的重型数控卧式镗车床的静压中 心架为研究对象。对影响车床加工精度关键部件之一静压中心架中间托瓦 进行重点攻关。 研究的主要内容包括： 1 基于c f x 软件，对静压中心架中间托瓦的速度场和压力场进行分析。 2 以静压中心架中间托瓦的压力场分布为基础，计算主轴转速与间隙油膜 动压效应之间的关系，并且得出主轴转速与油膜动压之间的关系曲线。 3 油腔深度对油膜动压的影响，得出油腔深度与油膜动压的关系曲线。 4 不同主轴偏心对油膜动压的影响，得出主轴偏心对油膜动压的影响。 5 针对承受不同载荷时，分析其对低速下油膜动压力和临界转速的影响。 6 对润滑油粘度和封油边宽度对油膜动压力的影响进行研究。 哈尔滨理t 人学t 学硕1 j 学位论文 2 1 引言 第2 章静压支撑流体计算方法 静压支撑就是指在支撑件与被支撑支撑件之问通入一定的润滑油，利用润 滑油的压力是被支撑件浮起，使支撑件与被支撑件之间形成液体摩擦状态。静 压支撑装置。需要一套液压系统供给的压力油，油路( 节流器，调速阀，流量阀 等) 静压支撑技术山于具有精度高，摩擦小，温升低，功率消耗小等一些列优 点而广受欢迎。近年来，静压支撑技术逐渐成熟，在工厂和研究中心上的应用 也比较广泛。 2 2 流体力学分析方法的一般过程 流体力学有很多的分析方法，每种方法都有其自己的优点。在这罩，我主 要讲讲用微分方程来解决实际流体计算中的问题。此方法可以分为如下四个步 骤： 1 抓住所要分析的流体的卡要方l 幻，建市流体的力学模型。对次要方面町 以适当的放松要求。这是山于在流体运动与微分方程的结合方面，到现在还没 有一个通用的微分方程组能够应于与任何的流体运动。不管采用的是什么方 法，都足建立在一定的假设条件下来进行分析。对于没有实际工作经验或者科 研经验的工作者来说，流体力学模型的建立比较复杂的。必须经过多次的尝 试，积累无数失败的经验才可能达到对流体力学数学模型建立的游刃有余。 2 以所建立的流体力学模型作为基础，来建立与之对应的微分方程组。必 须要保证所建立的微分方程组可以进行求解，而且要保证所求解的唯一性。保 证所建立的微分方程组可以进行求解，就是要保汪微分方程组一定要封闭。保 证所求解的唯一性，就是要给出微分方程组需要满足的初始条件和边界条件等 定解条件。 3 采用行之有效的微分方程组的解法来求解数学模型。包括有限差分法， 和数值解法等方法。 4 将雕论分析的结果与实际进行对比。通过王甲t 论结果与实际结果的对比， 可以验证结果的正确性。当理论结果与实际结果不符的时候，确信流体力学的 哈尔滨理t 人学t 学硕i ：学位论文 数学模型正确无误，这时可以怀疑实际结果的正确性。如果确信实际结果j 下确 无误，这时可以怀疑理论结果的正确性。通过对两者进行对比与修改，最终可 以实现理论结果与实际结果相吻合。 2 2 1 速度对润滑油流动状态的影响 当通过计算所得的雷诺系数值小于2 3 0 0 时，流动状态就会变成湍流。我们 在书上所见剑的人多数流体的计算公式都足在层流的情况下建立的。 但是，在实际加工中，随着技术的成熟和稳定，主轴旋转的速度会越来越 高，必然会产生达到湍流状念。这时就需要对流体的流动状态进：f j 二洋细的分 析。对于油腔而言，润滑油在油腔内的流动状态比较容易分析。油腔的深度同 间隙油膜的厚度相比相差很多个数量级，在主轴转速的带动下，山于润滑油具 有一定的粘度，主轴的旋转会带动一部分油进行旋转。但是，只有一小部分与 主轴临近的润滑油的流动状态会从层流状态变成湍流状念，并且被带出油腔。 油腔内的大部分的润滑油由于处于环流状态而在油腔内反向流回，在这种情况、 下，可按下式计算雷诺系数来决定流体的流动状念。 n ，：坐= 型2 0 0 0 “ v2 v ( 2 1 ) 式中z 为油腔的深度。 通过上式可以看出，油腔的深浅对流体的流动状念影向较大。 在实际加工中，处于湍流状态一卜的静压轴承足町以工作的，但是由于流动 状念的改变，其计算公式将会有所变化，而且比较复杂。需要用湍流计算公式 进行计算。 2 2 2 不可压缩流动n a v i e r - s t o k e s 方程的特点 对于不可压缩流动n a v i e r - s t o k e s 方程而言，对于压力场的要求不高，可以 相差任一常数，但是对于速度场却有影向。压力场的确定是在一定的条件下建 立的，如果要得到总的压力场，一定要指定流场中某一点的压力。对于现在的 科学技术水平末说，计算压缩流动的方法远远逊邑于可压缩流动的方法。 可压缩流体与不可压缩流体的不同点就在于是否含有压力的时间导数项， 对于不町压缩流体而占，他没有压力的时问导数，并且椭圆与抛物组合足其方 程组旱现出的主要形式。对于不i l j 压缩流体的方程的建丑中，不必考虑建立状 态方程，凶为压力在热力学上足没有意义可占的。但是，j 玉力可以产生速度， 哈尔滨理t 人学t 学硕i ：学位论文 压力可以控制速度。如何计算“压力与速度的耦合情况对于不可压缩流的来 说比较困难。压力场必须是速度随时间进行变化。在这种情况下，发展性偏微 分方程是不适合对不可压缩流体进行计算的。这是可压缩性流场比不可压缩性 流场的数值计算方法成熟的一个方面。 2 2 3 有限体积法 有限体积法又成为控制体积法，就是对需要求解的模型进行离散，将其划 分为比较小的网格，在有限体积法中每一网格节点按照一定的方式形成一个包 幽该节点的控制容积，然后将控制微分方程在控制容积你进行积分。 导出有限体积法的离散方程主要分为以下三个步骤： 1 对计算区域进行离散，分成有限大小的互不重复的控制体积，然后将需 要求解的微分方程组在控制体积内进行积分求解； 2 给出微分方程的差值方式和变化型线的假设条件； 3 对于步骤1 得到的方程按选定的型线进行积分并整理成一组关于节点上 未知量的离散方程。 采用有限体积法建立起来的方程比较容易理解，方程中的每个系数都具有 各自的意义。而日建立的方程可解。有限体积法的缺点就是对于离散方程的数 学特。陀描述比较刚难。 2 3 静压支撑概述 所谓支撑，在机械行业中解释的话，就是承担一定载荷的相对运动副。目 前，支撑的分类很广，最常见的有两种分法：有动压支撑与静压支撑之分，也 有滚动摩擦和滑动摩擦之分。液体动压支撑的研究已经由来已久，而邑技术也 比较成熟，应用的比较广泛，很多工厂都在采用动压支撑。静压支撑兴起的时 间不长，目前在国内的应用很少。在国内，液体静压支撑还是一个比较新兴的 事物，许多工厂为了提高生产效率和加工精度，也都竞相研发静压支撑装置。 液体滑动摩擦的形式最常见的划分方式就是根据其摩擦状态的划分，目前 主要分为三种方式，干摩擦( 两个滑动表而之间没有润滑剂，滑动表面之间直 接接触，此方法对构件的磨损较为严蕈，而且长时问工作精度不能得到保证) ， 完全液体摩擦( 两个滑动使而之问完全被润滑剂浸入，是其完全处_ 液体摩擦 状态，即保证了精度，又能提高力l i 工效率) 和混合液体摩擦( 两个滑动表而之 间即有润滑剂存在，义会产生干摩擦，这种摩擦的优缺点介于于摩擦和完全液 哈尔滨理t 人学t 学硕i ：学位论文 体摩擦之间) 。通常情况下，动压滑动支撑又叫做自建压力支撑，而静压滑动支 撑却叫做外部供油滑动支撑。 液体静压支撑的最主要的优点就是两个相对滑动表面之间没有直接的接 触，完全被润滑剂隔离开来，这样相对速度对液体润滑状态的影响几乎可以忽 略，两个相对滑动表面之间即使有一定的加工误差，对静压支撑产生的影响也 是相当的小，既可以降低工件的加工精度，又可以提高工件的加工精度。因 此，静压支撑工作的速度范围和载倚范围非常广。 随着静压支撑技术的发展，人们逐渐将静压支撑技术应用到多个领域。例 如，静压导轨的应用，静压丝杠螺母及蜗杆齿条传动的应用，在具有较高加t 要求和效率的机床上也有广泛的应用。如静压气体中心架，静压液体中心架等 方面【4 。 2 4 静压支撑的组成和构造 静压支撑装置同普通的轴承相比，多了一套液压装置。可以在主轴与轴承 之i 、日j 通入润滑油，达到完全液体润滑状念。由于在支撑件与被支撑件之间加入 了润滑油，可以大大增加静压轴承的承载能力，减少摩擦，吸收振动，提高精 度。 静压轴承由油腔、封油边和i l j l 油槽组成。对于单油腔和一些开式静压支撑 来说，可以没有回油槽。p l 泔i 槽主要是开在两个油腔之间，方便润滑油流p i 油 箱而加工的一种凹槽。对于没有回有槽的静压轴承，在工作的时候，当各个油 腔之间产生压力差的时候，润滑油会从油腔压力高的被压到油腔压力低的地 方。形成回流现象。对于开式静压轴承来说，润滑油也会从压力高的地方流到 压力低的地方，然后直接流陋i 油箱。在进行柱面油挚设计的时候，多采用四油 腔结构的静压支撑装置，这是个油腔的有效承载面积可以不相等。目前在市场 上应用的也多是四油腔静压支撑装置。这种装置稳定、可靠，且设计比较合 理。通过大量的实践证明，静压支撑装置的油腔数量不要超过六个，当油腔数 目超过六个的时候，承载能力几乎没有多大变化。 供油方式可以分为定压供油和定量供油两种。对于定压供油，在油路中必 须安装节流阀，这样可以控制供油压力的大小。油路中的节流液阻有很多类 型，常见的有毛细管类节流液阻，小孔节流液5 且，薄膜节流液b h 和滑阀节流液 阻。对于定量供油，油路中1 i 需要安装节流器，油泵的供油压力等丁油腔的供 油压力。但足每个油腔需要提供一个独立的供油装置，町以方防止偏心现象对 哈尔演理t 人学t 学顾+ l ：学位论文 供油压力产生影响。定量供油装置就相当于在定压供油装置中安装一个流量恒 定的节流阀来控制量一样。 2 5 定量供油式静压支撑的工作原理 在静压支撑系统工作的过程中，当对油腔的供油方式选择定量供油时，出 油液阻将会决定供油压力的大小。在一定的流量下，出油液阻与油膜间隙之间 成反比例的关系，当出油液阻减小的时候，油膜间隙将会增大，当出油液阻增 大的时候，油膜间隙将会减小。定量供油的原理实际上就相当于在油路卜安装 了一个固定的节流器。 在工程实际应用中，主要采用两种定量供油的方式，他们分别是用定量油 泵和用定量节流阀。在采用定量油泵的供油方式时，油泵油油路之问没有节流 阀存在，油泵提供的流量直接到达油腔，凶此油泵的压力与油腔的压力一直相 等。在采用定量节流阀供油的时候，在供油油泵与油腔之f b j 需要安装节流阀， 通过节流阀的开口大小来决定供油压力的大小。这种方法相当于任定压供油的 方式中，在油路上安装一个流量恒定的节流阀，采用固定流量的方法来达到定 量供油的目的。 在定黾供油时，多采用，再个油腔安装一个独立的供油装置的方法。在工作 时，主轴偏心现象经常出现，如果采用多个油腔共用一个供油装置的时候，由 于偏心现象的影响，主轴沿径向方向的油膜厚度将会不相等，由于油腔的压力 由负载决定，在这种情况下，油腔压力的大小取决于承受载荷较小的油腔。当 压力油撑起主轴的时候，即使供油压力再大，也不能增大其承载面积，润滑油 只能从油膜问隙中流走。因此，在工程实际工作中，采用每个油腔安装一个独 立的供油装置，这时，即使是偏心现象的存在，也可以使油腔压力随着供油压 力的增大而增大( 在达剑最大承载力之前) 。 采用定量供油的方式可以防止由于节流阎的存在而产生的油路堵塞的状 况，可以保持压力的恒定，减少了功率消耗。 2 6 流体力学的量纲分析和相似原理 对于处于湍流状态的流体流动来讲，其微分方程组的计算极为复杂，有时 候甚至刁、= 能与流体建立相刈| j 她的微分方程组。即使可以建立出米，也不能保证 方程的可解性，更不要说足唯一解。 哈尔滨理- t 人学t 学硕1 j 学位论文 量纲分析就是对具有量纲的物理方程的参数进行整合，实现参数和方程的 无量纲化。这种方法无论在试验分析中还是在流体力学的应用方面都有很大的 应用价值。在试验中，对物理方程进行量纲分析，可以减少控制参数的个数， 可以实现复杂试验的简化。对于流体力学的计算，可以使微分方程组有解或者 近似解。量纲分析对于试验数据的整理和经验公式的推导有很好的效果。 相似原理揭示相似的物理现象各对应参数之问应该满足的关系。对于比较 复杂的流体模型，直接进行分析比较困难，在这种情况下，我们可以通过分析 与其相似的模型来达到简化模型的目的。相似原理对于发现流体的流动规律具 有具有重要的意义。这利，方法对于流体 | ：u 始状态的捕述1 卜常有效，但足当对模 型最终分析和试验研究的时候，必须对实际模型进行计算和实验。 2 7 本章小结 本文主要是对静压支撑的相关理论进行了简单的描述，主要包括流体力学 分析方法的一般过程。先是介绍了速度对润滑油流动状态的影响，然后介绍了 不可压缩流动的n a v i e r - s t o k e s 方程，接着又对有限体积法进行了简单的描述。 另外，对静压支撑的应用也相应的进行了介绍。其中包括：静压支撑概述，静 压支撑的组成和构造，定骨供油式静j 蕞支撑的工作原理，流体力学的量纲分析 和州似原理。本文对计算流体力学进行了简单的介绍，对其意义进行了描述。 哈尔滨理_ t 人学t 学硕i ：学位论义 第3 章静压中心架中间托瓦型腔设计与建模 3 1 引言 静压中心架是数控装备中的重要组成部分。静压中心架的承载能力和精度 要求是其不同于同类静压支撑装置的特殊部分。其结构设计比较合理，但是对 工作环境的要求和：i ：人操作技术的要求比较高，如果操作不当就会产生对主轴 造成极为严重的影响，甚至造成火灾，造成比较严罩的经济损失。冈此有必要 对静压中心架的油腔结构进行合理的设计。静压中心架的油腔结构设计对其承 载能力有很大的影响。本文根据其承载特点，对静压中心架的油挚中问托 瓦的结构设计进行了详细的叙述，包括油腔彤状，油腔的数目和布置等方面， 为后面需要进行的静压中心架问隙油膜的动压效应分析打下了基础。 3 2 静压中心架中间托瓦的工作原理 液体静压滑动轴承在实际应用中，有定压供油和定最供油两种供油方式。 当中间托瓦所收外载荷比设计载荷大时，油腔与载简之l u j 的油膜厚度减小，液 阻增大，使油腔压力增高以适应增加了的外载荷。此时，为了为了维持恒定的 流量，油腔的输出压力就要逐渐升高直至也所增加的外载荷平衡。所以定量式 供油系统比使用节流器的定压供油系统能在大的载荷范围内卫作。因此本文采 用定量式供油系统。 静压中心架是依靠外部的流体压力源向摩擦表面之| 日j 供给一定压力的流 体，借助流体静压力来承载，并在预定载荷和任意转速下使主轴和托瓦间处于 完全液体摩擦状态的液体滑动轴承。静压中心架中间托瓦是依靠外部的油泵， 通过分油器将压力油输送到各个油腔，在托瓦的油腔中通入压力油，使运动件 浮起。当中间托瓦所受外载荷增加时，油膜厚度降低，液阻增大，使油腔压力 增加以适应增加了的外载荷。当压力油进入油腔后，油腔的封油面与主轴之间 的i 、日j 隙就会形成油腔液阻，并且使润滑油充满整个间隙，使主轴与油腔之问形 成完全液体摩擦状念。当油腔压力与油腔面积之乘秘超过载倚时，就会使主轴 浮起。中间托6 c 的j l ：作原圳如罔3 1 所示。 哈尔滨理t 人学t 学硕f ：学位论文 压力砖 出0 l压力岫l i 入o i 压力确 出0 图3 1 中间托瓦i ：作原理 f i g 3 - 1w o r k i n gp r i n c i p l eo fm i d d l ep i l l o w 3 3 静压中心架中间托瓦的结构设计 3 3 1 油腔的形状 目前，静压径向轴承主要分为有周向陋l 油槽的和无轴向回油槽两类。油挚 是由油腔、封油边和回油槽组成的循环系统。根据加工工况的不同，向心轴承 可以分为单挚向心轴承、对置双挚阳心轴承，多腔向心轴承和多挚向心轴承等 形式。 一般情况下，当所承受的径向载荷的大小和方向受力都比较稳定时，适合 选用单挚向心轴承。当所承载的载荷在轴向和轴向都受力时，最好选用单挚四 油腔结构。它可以承受一定的轴向偏载和周向的偏心。 当两挚向心轴承之i n j 的夹角小于1 2 0 度时，它可以在保证加工精度的情况 下，最大允许载倚在正负4 0 度的角度内摇摆。对于一般情况下，封闭式的静压 径向轴承可以在上下和左右四个方向上都对主轴施加上自由度，通过对各个自 由度的约束可以提高主轴加工的精度。而对于本文需要研究的静压中心架中问 托瓦的油腔设计来说，由于加工的主轴质量很大，在实际加工中由于主轴的自 重而可以在油腔上下两个方向减小对它的约束，因此，可以采用开式的油腔。 在实际的机床设计中，为了保证所承受的载荷在轴向和周向都能够承载和 保证旋转精度，多采用多挚或多腔形式的油腔，目前 j 【 腔或四挚的油腔在工厂 应用的比较成熟。综合以上内容，中问托瓦的结构选择开式的圆柱面支撑形 式。 哈尔滨理工人学丁学顶 ：学位论文 3 3 2 油腔数目和布置 当承受较大载荷的时候，载荷在各个方向上都会产生压力。这时，为了受 力均匀，多采用六油腔结构。但是，一般情况下，四油腔结构就可以满足加工 要求了，这种结构目前在工厂中应用的也是最为广泛的。 另外，对于加工重型的主轴而言，才用定量供油的方式可以保证油膜的承 载，p i - h 匕* t l 油膜刚度，这样，可以省去节流器的选择。 对于静压支撑而言，考虑比较重要的事就是如何增大静压而抑制动压，负 压的大小将会对静压中心架的承载能力和加工精度产生至关重要f 内影响。从抑 制动压和提高加工精度的角度来说，在实际的d a - l ：中，即使会产生动压力，也 尽量使动压力在两个油腔的压力分布基本一致，这样，必须要采用具有轴向和 轴向回油槽的油腔。 此轴承为开式轴承，轴承为半托瓦，其主要性能特点是载荷主要作用在上 下的乖：卣方向上，另外山于实际设计的静压中心架会在主轴的左