重型数控机床静压支承系统设计与动静态分析-硕士论文开题报告

北京工业大学学术型研究生开题报告学位级别： 博士 硕士 学 号： S201101109 研究生姓名： 崔朋威 指导教师姓名： 蔡力钢 教授 专业名称： 机械工程 所在学院： 机电学院 开题报告时间： 2012.12.06 北京工业大学研究生院制表注意：本表基本情况及报告正文由研究生本人填写，硕士不少于3000字，博士不少于5000字。格式要求：正文文字部分为5号宋体、单倍行间距排版，A4纸双面打印装订。开题报告评价部分分别由指导教师及专家组书写。开题报告会结束后一周之内将报告原件交院（所）研究生教学秘书处。一、基本情况研究生姓名崔朋威学 号S201101109院、系机电学院指导教师姓名及职称蔡力钢 教授学科、专业机械工程入学年月2011年9月填表日期2012年12月1、 研究方向、论文选题范围：重型数控机床静压支承系统设计与动静态分析2、 拟定论文题目：重型机床静压转台结构变形对承载能力影响规律的研究3、 论文科研课题属于哪一级科研项目，经费来源及金额（课题来源选项分为国家计委、科委项目、国家经贸委项目、国家自然科学基金项目、国务院其他部门项目、主管部门（部委级）项目、省、市、自治区项目、国际合作项目、学校级项目、自选项目、其它）：课题名称：高档数控机床数字化设计关键技术与工具集研发及典型产品应用本课题属于国家科技重大专项 “高档数控机床与基础制造装备”4、 论文类型（基础研究、应用研究、开发研究、其它）应用研究摘要选题研究内容和意义简介（限400字）：课题研究内容1）基于静压支承理论，以重型数控机床的静压转台为研究对象，首先假设转台底座为刚体，采用有限元法和静压结构耦合迭代法研究静压转台导轨的变形量及其承载力，从而研究转台结构对机床精度的影响2）考虑底座的变形及由此引起的油垫的高度变化和倾斜，分析底座油垫转台三部分耦合情况下转台的结构变形及承载力的变化3）综合上述两种情况，分析转台结构变形对承载力影响的规律课题的意义重型数控机床的工作台回转多采用恒流供油液体静压导轨，并设计有加预载结构，以限制工作台浮升量。较准确地求出各油腔的油膜厚度和静压力是了解工作台承载能力和静刚度分析的前提。工作台承载大，其静压计算必须考虑油腔静压和工作台结构变形的相互影响。国内早在 20 世纪 70 年代末就开始了对此计算问题的研究和应用，但是仅仅局限于在考虑工件和工作台的重力并假设各油腔的静压力相等的前提下进行计算，真正对于静压承载力的更可靠的计算方法还只是刚刚起步，所以研究静压转台结构变形对承载能力的影响能够提高机床的运动精度，提升重型机床在各行各业中的可靠性。关键词（用分号隔开、最多5个）静压转台；结构变形；承载能力报 告 正 文（一）选题依据与研究内容1、选题依据（研究意义、国内外研究现状等）1.1 课题的研究意义机床工具工业是制造业的基础，重型数控机床主要用于大型、特大型零件加工，是为国防军工、航空航天、船舶、能源（火电、水电、核电、风力发电）、交通运输（铁路、汽车）、冶金、工程机械等主要工业支柱产业以及国家重点工程项目服务1，关系到我国国民经济发展与综合实力的战略物资，是国家高档数控机床与基础制造装备重大专项的重要组成部分。我国重型机床经过50多年的发展，形成了门类齐全、具有相当规模和一定水平的产业体系，产品技术日趋成熟，与国外产品的差距逐步缩小。但与国外先进水平相比仍有差距，自主创新能力不足，特别是高端重型数控机床，如具备高速度、高精度、复合柔性和多功能等特点的重型数控机床，仍严重依赖进口，这在某种程度上关系到国家的安全2。为了满足重切和加工高精度的要求，国外发达国家从上世纪60年代就开始将静压技术用于重型数控机床，静压调节方式目前广泛采用可靠性好、装配维修方便的恒流式3。随着静压导轨和静压轴承技术、同步控制和运动补偿技术、五轴联动技术、大功率双摆角铣头和重型回转工作台的技术攻关相继突破，我国重型机床发展也达到一个新的高度1。静压支承进给系统采用液体静压轴承作为支撑，以静压油膜为工作介质，承载力高、刚度大、摩擦副间无磨损、油膜抗振性好，可克服爬行现象，运转灵敏平稳，因而被广泛应用于重型机床的支承进给系统中。同时，静压油膜具有误差均化作用，能够降低静压转台因制造和装配产生的误差。因此研究液体静压转台承载性能对数控机床的技术进步具有重要意义4。静压转台是重型机床的关键部件，然而，静压转台常由于地基、底座和转台等的变形而导致支承油垫倾斜、油膜承载失效。本课题主要针对重型机床的静压转台进行研究。承载能力和油膜刚度是液体静压转台的2个最主要的性能指标。承载能力是指在一定油膜厚度下，油膜压力作用于被支承件表面所能负担的外载荷，油膜厚度必须使油垫和被支承件的表面互不接触。工作台承载能力的计算必须考虑到油腔静压和工作台结构变形的影响，同时还应考虑到底座变形对静压导轨的影响。本课题以静压支承理论为基础，综合考虑静压转台结构变形对承载能力的影响，从结构的角度分析承载失效的原因，对于提高重型机床的精度和稳定性至关重要。 1.2 国内外研究现状液体静压支承在法国早已应用，但在本世纪中期，才逐渐引起人们的重视。1938年，美国一个大型光学望远镜转台采用了液体静压支承，在重大五百吨和每天一转的极低速情况下，只需1/12马力即可驱动，使这种新型支承在低速重载下显示出良好的性能5。1948年，法国工业界首先在工具机磨床上使用液静压轴承之后，液体静压支承技术就得到了广泛而深入的发展。现在已经应用于各种大重型、精密超精密、高速机床设备上的支承进给系统中。 液体静压转台是采用液体静压轴承作为支承，将转台主轴功能与电动机功能从结构上融为一体的功能部件，它集成了液体静压轴承技术、冷却密封控制技术和变频电动机技术等，其功能是带动工件实现精密/超精密旋转( 定位) 和精密加工6。静压转台的油膜具有误差均化效应，使得转台导轨能达到比自身加工精度更高的运动精度。静压转台根据供油方式的不同可以分为定压式和定量式。定压式静压转台需要节流器调节油腔中的压力，而定量式静压转台则需要向油腔中输入恒定流量的压力油，并在压力允许的范围内形成油膜。按照课题的研究内容，分别介绍关于转台结构变形和承载能力分析的研究现状。1.2.1静压转台结构变形结构变形是一个很传统的分析对象，机床精度的提高都需要综合结构变形分析、热分析和其他相关因素。在转台结构变形方面，国内外的专家学者已经做了很多工作，简单归纳如下：（1）武汉重型机床厂的袁荣章7分析了某立车工作台、底座的结构变形原因，介绍了中心卸荷和圆周卸荷方法在减小结构变形方面的应用。并重点分析了中心卸荷和圆周卸荷方法在减小立车结构热变形和抵抗倾覆力矩方面的优越性，从而改善了导轨的工作条件，提高了机床的精度。 （2）华中理工大学的江洁等8在各油腔的静压相等的假设下，采用 I-DEAS 分析软件对CKX53200型立车工作台静刚度进行有限元分析，考虑了四种工况（载荷作用在导轨中径处、载荷作用在内环与导轨中间位置处、工作台自重和静压载荷）下工作台导轨板的变形量，分析得到了工作台受载后导轨面的变形和工作台的承载能力与承载点的位置关系，提高了设计质量。 （3）华中科技大学的赵明等9提出一种计算刚性位移的方法，并提出了新的校正改进法，解决了工作台的静压结构耦合迭代计算问题；并且无论工作台主轴 z 向有无约束，该方法均可使用；在静压迭代求解过程中，采用有限元分析法对工作台导轨油腔处的变形进行计算；采用新方法进行重载重切、空载、轻载重切工况的静压求解迭代计算，均稳定收敛到指定的精度，验证了新方法的有效性和稳定性。计算中发现，因工作台刚性不足，若 q 保持不变，即使加预载，空载或轻载时的油膜厚度也偏大；因此工作台的油膜厚度必须根据工件的重量，通过调整 q 来进行。加预载结构则仅为防止工作台浮升过大的安全装置。（4）Zhao Ming等10以某重型数控双柱立车横梁一滑座静压导轨为对象，进行了多油垫静压导轨油腔压力计算的学科建模与优化研究。首先，分析了目前的静压近似计算方法无法用于计算横梁一滑座导轨静压计算的原因，给出了较精确的基于油腔中心点共面/共线协调条件的近似计算方法。接着，用该新方法求得了横梁一滑座静压导轨的各油腔压力。在此基础上，以最大油腔压力为目标，以最大油腔封油边压力、最大油腔浮起压力、导轨最大变形为约束，建立优化模型，在isIGHT软件平台上依次用试验设计和模拟退火算法进行优化。优化前后的数据对比表明，最大油腔压力显著降低，与液压系统的匹配满足要求。1.2.2静压转台承载能力分析承载能力是静压转台特性的主要衡量指标之一，很多学者通过不同的理论和实验方法进行了相应的分析，简要归纳如下：北京工业大学刘赵淼、张成印11采用数值的方法研究了不同边界条件（包括不同油膜厚度、油液黏度、油腔结构尺寸）以及不同转速下液体静压油腔内的流动状态和承载稳定性。W.B.Rowe12-13针对静压推力轴承，分别以总功率最小和温升最小为优化目标，采用对理论公式进行变量分析的方法，给出了最佳的油膜厚度值和油腔的尺寸参数。S.Xu14以功率消耗与承载力之比为优化目标，采用复合形法对径向轴承进行了优化设计，在求解目标函数时，采用了有限差分法，并采取了一系列减少计算量的方法，节省了机时。上海工程技术大学的朱希玲15基于ANSYS有限元软件对静压轴承轴瓦结构进行了优化设计,在给定条件下,以承载能力最大为目标函数,对油腔的结构参数进行优化,其优化结果为静压轴承的改进设计提供了最优数据。北京工业大学的金秋颖16运用Fluent中的UDF（自定义函数功能）分析了温粘和压粘效应对轴承承载力的影响。并研究了综合考虑温粘、压粘效应时流场内的压强分布。哈尔滨工业大学的赵自强17对超精密机床气浮主轴进行了流固耦合分析，采用顺序耦合法，利用有限元软件ANSYS分别计算流体场和结构变形，经过反复迭代，直到流体场和结构弹性变形都趋于稳定状态，计算结束。上海理工大学的卢华阳18等根据流体润滑理论及雷诺方程, 构建了导轨油膜压力的数学物理模型, 提出了运用有限元法进行油膜刚度及导轨承载能力的分析与计算方法。孙学贇等19对液体静压导轨的承载能力和刚度进行了定性和定量分析，并提出了优化计算方法。Yanqin Zhang20等在相同转速、油腔深度和有效承载面积的条件下分析不同油腔形状下的承载特性，得到了相应的压力场分布图，由此优化了油腔结构。分析与理论计算具有很好的一致性，为选择油腔形状提供了理论依据。承载能力大小排序依次为椭圆形、扇形、矩形、I形。印度学者T.JAYACHANDRA21-22通过求解包含惯性项的雷诺方程，分析了多腔及多垫推力轴承在转动及偏载的情况下的承载力、流量和刚度，并分析了油垫尺寸变化对承载力和流量的影响。哥伦比亚的Noah D. Manring23等人采用经典润滑理论，对比分析了支承油垫在凹变形、凸变形和不变形情况下的的压力和承载力分布，分析结果表明，两种变形都提高了油液的流量，凸变形提高了承载能力，而凹变形则使油垫的承载能力有所下降。印度的Satish C.Sharma24等采用理论方法研究了不同油腔形状下静压轴承圆形油垫的动、静态特性，并采用有限元法对比分析了圆形、矩形、椭圆形和环形油腔的工作性能。有限元分析假设不同形状油腔的边界条件和有效承载面积相同。论文还综合分析了不同节流类型（毛细管、小孔、恒流阀）和不同油腔形状对承载性能的影响。哈尔滨工业大学的常翠平25运用Fluent仿真了锥形轴承的流场，通过对不同油膜厚度、不同锥半角下无偏心和有偏心的锥形静压轴承进行模拟，得到了锥面间隙内润滑油的压力分布、速度分布以及温度分布的三维图形。北京工业大学戴钦26研究了油膜在平稳工作状态下以及在停止瞬间的油膜厚度，并通过实验验证了理论计算的结果；对不同工件质量在平稳工作状态及启停状态分别进行测试。测试油膜浮起量采用千分表，油腔压力从通往每个油垫的管路上的压力表上直接读取。分别测试在转台自重下及不同工件重量（150t，280t 和 410t ）下的油膜浮起量和油腔压力。 东北林业大学的于晓东27对重型静压推力轴承的力学性能和油膜状态进行了实验研究，研制了专用试验装置，验证了理论计算和数值模拟的正确性。埃及开罗大学的T.A.Osman28等设计实验装置，对比分析了单油垫和多油垫的油膜厚度、油腔压力、压力分布和流量特性。并采用迭代方法编制计算机程序，数值分析了油垫的压力分布等特性，从而证明了理论计算与实验研究的一致性。诺丁汉大学的O.J.Bakker29等分析了静压止推轴承在转动时离心力惯性效应的影响。以轴承转动时圆形和环形油垫的功耗最小为优化目标，得到了油膜厚度的最优值。哈尔滨理工大学的Junpeng Shao30等根据计算流体动力学和润滑理论，建立油膜数学模型，使用FLUENT软件分析了静压导轨和转台的压力分布，得到了油腔深度对静压轴承油腔压力的影响规律。E.Solmazi31同时以总功率和温升两个因素为目标对静压推力轴承进行优化设计，采用近似的理论公式推导出总功率和温升的表达式，然后引入两个权重系数，表示总功率和温升相对大小，优化结果使功率和温升同时达到合理的数值。2、选题的研究内容、研究目标以及拟解决的关键问题等2.1 选题的研究内容（1）基础理论及基本方法的研究 以静压支承理论为基础，研究预载恒流静压转台的工作原理，推导静压转台承载能力计算公式，并计算转台的流量、油腔压力、油膜厚度和承载能力。介绍文中采用的有限元法和静压迭代法，介绍两种方法的基本理论及基础应用。 （2）转台模型的建立 单油垫模型的建立 根据现有转台模型，建立单油垫的数学模型，分析其承载性能。 多油垫耦合模型的建立 以单油垫模型为基础，耦合分析多油垫模型对承载性能的影响。 倾斜油垫模型的建立 分析油垫发生倾斜时，对转台承载性能的影响。（3）不考虑底座变形时承载力的计算 根据转台工作时的边界条件，在不考虑底座变形的情况下，提出一种新方法分析承载力对转台结构变形的影响，并用有限元法分析转台面及导轨的变形。 采用静压迭代解法，迭代分析油膜厚度，并综合使用有限元法和迭代法，获得比较准确的承载力数值。由此总结出不考虑底座变形的情况下，转台承载力的变化规律。 （4）考虑底座变形时承载力的计算 考虑底座变形，分析不同油垫变形和油垫位置对转台承载能力的影响，并采用有限元法和静压迭代法分析油膜的厚度，计算出相应的承载力，并总结得到承载力的变化规律。 （5）在前期分析计算的基础上，在ANSYS软件下二次开发得到转台承载力分析系统，用于对类似件进行分析计算。（6）实验验证分析结果的正确性。2.2 选题的研究目标通过上面的研究，本课题拟达到如下目标：（1）建立油垫耦合模型，并分析的到多油垫支承下转台承载力的分布；（2）考虑转台底座的变形，分析多油垫支承下转台承载力的分布，得到其分布规律；（3）开发基于ANSYS 的承载力分析系统。2.3 拟解决的关键问题 本课题拟解决的关键问题如下：（1）多油垫耦合建模首先建立单油垫数学模型，并采用理论方法进行承载力分析，并结合转台实际工况，建立多个油垫耦合的数学模型，并进行求解。（2）倾斜油垫建模以单油垫模型为基础，建立油垫发生倾斜时的数学模型，进行求解。（3）考虑底座变形的转台承载力分析实际工作过程中，静压转台自身结构会在外力和发热的影响下发生变形。所以为了得到更加可信的结果，对于静压转台的分析，应考虑底座变形对支承油垫和转台导轨面的影响。3、拟采取的研究方案（研究思路、技术路线或研究方法）及可行性分析3.1课题研究思路和方案（1）转台模型的建立建立转台的模型包括建立单油垫的数学模型、多油垫耦合的数学模型和倾斜油垫的模型等。在求解单油垫模型时，通过经典润滑理论和雷诺方程建立支承的一般性方程，并根据边界条件进行求解。（2）不考虑底座变形时的承载性能分析根据建立的转台模型，首先忽略底座变形对油垫工作平面的影响，仅考虑油垫模型对转台承载性能的影响。（3）考虑底座变形时的承载性能分析在前期分析的基础上，考虑底座的变形对油垫工作平面的影响，分析油垫不同支承状态下转台承载性能的变化。（4）在ANSYS软件中二次开发承载力分析工具首先使用ANSYS 二次开发语言APDL32、UIDL33等开发简单的分析工具，熟悉整个二次开发的流程，然后再根据前期的承载力分析过程，对其进行二次开发，并使其程序化。3.2具体技术路线根据拟订的研究方案，课题主要技术参数包括油腔结构尺寸、油膜厚度、流量、油腔压力和承载力等，由此得到承载能力的变化规律。总体研究技术路线拟订如下：（1） 建立单油垫模型并求解（2） 建立多油垫耦合模型并求解（3） 建立倾斜油垫模型并求解（4） 考虑底座变形时承载力分析（5） ANSYS二次开发承载力分析工具3.3 本课题的可行性分析（1）理论基础本课题是基于静压支承理论对油垫进行分析的，并采用有限元方法对整体进行分析。静压支承理论已经形成了一套非常完善严谨的理论，并有相关的教材。有限元法基于有限元理论，已经成为了各行各业普遍采用的切实可行的分析方法。（2）前期基础本课题是国家重大专项“高档数控机床数字化设计关键技术与工具集研发及典型产品应用”的子课题，国家为本课题的开展提供了充分大的保障。本人在开题之前，已经在相当一段长时间里从事了静压转台相关的动、静、热特性分析，并开发了基于ANSYS 的简单分析系统。（3）环境基础本人所在的实验室提供了一个很好的科研环境。老师们都有深厚的理论和实践功底，并且实验室还有充足的实验设备，方便后期的工作。另外，本课题与北京第一机床厂合作，该单位在重型机床的静压支承和进给理论和实践方面都达到了一个相当高的高度，且会提供无私的帮助。综上所述，本课题是实际可行的，课题的实施是有保障的。4、论文研究进度计划（含研究进度计划安排、研究经费预算及解决办法）、预期研究结果4.1 论文研究进度计划论文研究进度计划如表所示。 2012.122013.01搜集文献资料，确定具体实施方案 2013.022013.03学习静压理论，建立转台模型，为后期分析作铺垫 2013.042013.06分析不考虑底座变形时转台的承载力 2013.072013.09运用静压迭代法分析油膜厚度，并进行承载力的计算 2013.102013.12考虑底座变形时承载力的计算 2014.012014.06实验分析验证，ANSYS二次开发，并撰写论文，准备答辩 以上时间只是初步估算的结果，会根据实际情况的不同做出适当调整。4.2 预期研究成果（1）分析得出不考虑底座变形下的承载力规律 （2）在考虑底座变形的条件下，分析转台的承载力并得出其分布规律，发表相关的小论文一篇 （3）实验验证理论结果的正确性，发表论文一篇 （4）在ANSYS环境下二次开发，形成简单的承载力分析系统（二）论文研究工作基础及条件保障1、工作基础（含入学以来取得研究成果、参与或承担的科研项目情况等）阅读了大量文献，学习了相关知识。曾经做过静压转台相关的动、静、热特性分析，并开发了基于ANSYS 的简单分析系统。2、工作条件（设备条件、实验场地条件、可能遇到的困难及应对措施）2.1设备条件：精密超精密加工国家工程研究中心和北京第一机床厂为本项目提供设备资源及所需的各种条件。2.2实验场地条件：北京第一机床厂和北京工业大学将为本项目的开展提供所需的各种条件。（三）参考文献（参考文献目录用标准规范格式，在正文引用处须标注）1 杨丽敏.国内外重型数控机床的技术对比与发展J.金属加工,2010, (7):17-19.2 我国数控机床品开发现状J.中国新技术新产品,2007, (08):74-75.3 赵明.重型数控机床多学科设计优化若干关键技术研究D.武汉:华中科技大学,2008.4 岳广杰.液体静压转台油腔流动特性和承载力的研究D.北京:北京工业大学,2012.5 陈燕生.液体静压支承原理和设计Z.北京:国防工业出版社,1980.6 周堃，熊万里，吕浪，阳雪兵.液体静压转台技术综述J.制造技术与机床,2011, (04):29-32+36.7 袁荣章.立车工作台底座的结构分析J.机床与工具, (5):13-14+4.8 江洁,李华威,胡于进.CKX53200型立车工作台静刚度有限元分析J.湖北工学院学报,1996,11(03):51-54.9 赵明，黄正东，王书亭，陈立平.重型数控立车工作台静压计算J.机械工程学报,2009,45(09):126-131+141.10 ZhAO Ming，et al.HYDROSTATIC PRESSURE CALCULATION AND OPTIMIZATION FOR DESIGN OF BEAM &SLIDE-REST GUIDEWAYS IN HEAVY DUTY CNC VERTICAL TURNING MILLJ.CHINESE JOURNAL OF MECHANICAL ENGINEERING,2007,20(5):16-22.11 刘赵淼，张成印.不同边界条件下液体静压油腔流场与承载稳定性数值研究J.科技导报,2011, (19):42-48.12 W.B.Rowe.Optimization of Externally Pressurized Bearings for Minimum Power and Low Tempera -ture RiseJ.Tribology,1970, (08)13 J.P.ODonoghue, W.B.Rowe.Optimization of Hydrostatic Bearings for Minimum Power and Low Temperature RiseJ.Industrial Lubrication and Tribology,1969,21(4):101-108.14 S.Xu，B.Chen.Optimum Design and Automatic drawing of Recessed Hydrostatic BearingsJ. 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Cherukuri.The Impact of Linear Deformations on Stationary Hydrostatic Thrust BearingsJ.Journal of Tribology,2002,124:874-877.24 Satish C.Sharma，S.C.Jain，D.K.Bharuka.Influence of Recess Shape on the Performance of a Capillary Compensated Circular Thrust Pad Hydrostatic BearingJ.Tribolog