小径高速液体悬浮主轴热动力润滑特性与表面微结构效应研究

发布时间：2021-12-11 15:09

　　液体悬浮主轴以其高回转精度、高动态刚度、高阻尼减振性和长寿命等性能优势,在高速精密机床领域获得广泛应用。液体悬浮主轴日益发展成将机床主轴功能与电机功能从结构上融为一体的新型电主轴单元,它省去了复杂中间传动环节,具有调速范围宽、振动噪声小、可快速启动和准停等优点,不仅可极高提高生产率,而且可显著提高零件的加工精度和表面质量。小径高速液体悬浮主轴是现代汽车发动机“凹面型凸轮”高效精密磨削装备的核心功能部件,但兼具高效率和高精度的小径高速液体悬浮主轴国内外迄今阙如。为进一步适应超高速精密加工的需要,小径高速液体悬浮主轴不仅迫切需要解决高速化和结构集成化带来的轴承温升控制,而且还面临解决受主轴结构尺寸和高速下轴承油膜温升制约的主轴系统刚度提升的技术难题。本文提出以表面微结构技术来调控小径高速液体悬浮主轴轴承系统热动力性能的学术思想,建立了基于计算流体动力学的液体悬浮轴承热动力润滑理论分析与设计方法,探讨了轴承工作参数、结构参数、微结构几何参数与分布参数对液体悬浮轴承的油膜流场特性与热动力润滑基本性能的影响规律和优化匹配准则,开发了兼具高承载刚度和低温升特性的小径高速液体悬浮电主轴并进行了综合性... 

【文章来源】：湖南大学湖南省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校

【文章页数】：231 页

【学位级别】：博士

【文章目录】：
摘要
Abstract
插图索引
附表索引
符号表
第1章 绪论
    1.1 研究背景及意义
        1.1.1 研究背景
        1.1.2 研究意义
    1.2 液体动静压轴承关键技术研究现状
    1.3 表面微结构流体动力润滑研究现状
        1.3.1 表面微结构加工技术
        1.3.2 表面微结构动力润滑理论与实验研究
    1.4 有待解决的问题
    1.5 主要研究内容
第2章 液体悬浮轴承热动力润滑理论模型与计算方法
    2.1 引言
    2.2 流体动力学基本控制方程
        2.2.1 连续方程
        2.2.2 动量方程
        2.2.3 能量方程
        2.2.4 控制方程的通用形式
        2.2.5 状态方程
    2.3 基于有限体积法的控制方程离散
        2.3.1 流动与传热问题求解的基本思想
        2.3.2 计算域的离散化
        2.3.3 控制方程的离散化
        2.3.4 边界条件
        2.3.5 离散方程的通用形式
    2.4 代数方程组的求解方法
        2.4.1 压力方程的推导
        2.4.2 压力修正方法
    2.5 基于CFD的动力润滑分析的验证
        2.5.1 雷诺方程及其基本假设
        2.5.2 基于Reynolds方程的阶梯滑块轴承性能计算公式
        2.5.3 基于CFD的阶梯滑块轴承计算模型
        2.5.4 CFD数值解与解析解的对比分析
    2.6 本章小结
第3章 孔口进油高速动静压径向轴承热动力润滑特性研究
    3.1 引言
    3.2 孔口进油高速动静压径向轴承的CFD计算模型
        3.2.1 径向轴承结构及参数确定
        3.2.2 轴承油膜网格模型
        3.2.3 边界条件与计算参数的确定
    3.3 高速动静压径向轴承油膜流场特性分析
        3.3.1 工作参数对油膜流场的影响
        3.3.2 结构参数对油膜流场的影响
    3.4 高速动静压径向轴承的基本性能分析及综合参数优化
        3.4.1 高速动静压径向轴承的基本性能分析
        3.4.2 多排孔进油动静压轴承的参数综合优化
    3.5 基于雷诺方程的动静压轴承性能计算公式
        3.5.1 单排孔进油轴承
        3.5.2 多排孔进油轴承
    3.6 解析求解与CFD数值计算结果对比分析
    3.7 本章小结
第4章 环形腔高速静压止推轴承热动力润滑特性研究
    4.1 引言
    4.2 高速静压止推轴承的CFD计算模型
        4.2.1 轴承结构类型及参数
        4.2.2 轴承油膜网格模型
        4.2.3 边界条件与计算参数的确定
    4.3 高速静压轴承止推的流场特性分析
        4.3.1 工作参数对轴承流场特性的影响
        4.3.2 油腔结构参数对轴承流场特性的影响
    4.4 高速静压止推轴承基本性能分析及参数综合优化
        4.4.1 工作参数对静压止推轴承基本性能的影响及综合优化
        4.4.2 结构参数对静压止推轴承基本性能的影响及综合优化
    4.5 考虑油流惯性效应的高速静压止推轴承的解析理论模型
        4.5.1 柱面坐标下N-S方程的简化
        4.5.2 轴承油膜的压力分布
        4.5.3 轴承基本性能计算公式
        4.5.4 算例的解析解与CFD数值解的对比分析
    4.6 基于最低温升约束的静压止推轴承油腔深度的优化
        4.6.1 只计油膜离心惯性力的油膜压力数学模型
        4.6.2 集总参数假设下的油膜功耗数学模型
        4.6.3 最低温升约束下最佳腔深的确定
        4.6.4 算例结果分析
    4.7 本章小结
第5章 表面微结构热动力润滑效应机理研究
    5.1 引言
    5.2 表面微结构的类型及其数学模型
        5.2.1 凹坑型表面微结构
        5.2.2 沟槽型表面微结构
    5.3 表面微结构单元的动力润滑机理研究
        5.3.1 表面微结构单元模型及边界条件
        5.3.2 表面微结构单元的动压力建立过程
    5.4 具有部分表面微结构的滑块轴承的动力润滑机理研究
        5.4.1 具有部分表面微结构滑块模型及边界条件
        5.4.2 油膜压力分布及承载能力
        5.4.3 摩擦力与摩擦系数
        5.4.4 微结构参数影响分析
    5.5 基于CFD的三维微结单元热动力润滑机理研究
        5.5.1 微结构单元的CFD计算网格模型
        5.5.2 微结构单元的边界条件及CFD计算参数
        5.5.3 微结构单元热动力润滑流场特性分析
        5.5.4 微结构单元几何参数对热动力润滑特性的影响分析
    5.6 本章小结
第6章 表面微结构效应对液体悬浮轴承系统热动力润滑特性的影响研究
    6.1 引言
    6.2 具有表面微结构的液体悬浮轴承的CFD计算模型
        6.2.1 具有表面微结构的径向轴承
        6.2.2 具有表面微结构的止推轴承
    6.3 表面微结构对液体悬浮轴承的流场特性的影响
        6.3.1 微结构参数对径向轴承油膜流场的影响
        6.3.2 微结构参数对止推轴承油膜流场的影响
    6.4 微结构几何参数与分布参数对液体悬浮轴承性能的影响分析
        6.4.1 微结构几何参数及分布参数对径向轴承性能的影响分析
        6.4.2 微结构几何参数与分布参数对止推轴承性能的影响分析
    6.5 本章小结
第7章 小径高速液体悬浮电主轴回转精度与刚度特性实验研究
    7.1 引言
    7.2 实验设备与仪器
        7.2.1 小径高速液体悬浮电主轴试验台
        7.2.2 信号采集与分析系统
        7.2.3 测量仪器
    7.3 实验原理与方案
        7.3.1 实验原理
        7.3.2 实验方案
    7.4 实验目的与内容
        7.4.1 实验目的
        7.4.2 实验内容
    7.5 试验结果分析与讨论
        7.5.1 液体悬浮电主轴回转精度特性分析
        7.5.2 液体悬浮电主轴刚度特性分析
    7.6 本章小结
结论与展望
参考文献
致谢
附录A (攻读博士学位期间所发表的学术论文目录)
附录B (攻读博士学位期间所获得的国家专利)
附录C (攻读博士学位期间所参加的科研项目)


【参考文献】：
期刊论文
[1]激光多孔端面气体非接触机械密封稳定性分析[J]. 白少先,彭旭东,孟祥铠.  摩擦学学报. 2010(06)
[2]表面微织构对重载齿轮传动摩擦性能的影响[J]. 汤丽萍,刘莹.  清华大学学报(自然科学版). 2010(07)
[3]PDMS表面织构润滑特性的研究[J]. 姜亮,马国亮,王晓雷.  摩擦学学报. 2010(03)
[4]斜排微孔端面机械密封富集效应的理论研究[J]. 刘鑫,彭旭东,孟祥铠,钟伟明,古通生.  化工学报. 2010(02)
[5]表面织构对发动机活塞/缸套摩擦性能的影响[J]. 刘一静,袁明超,王晓雷.  中国矿业大学学报. 2009(06)
[6]激光加工多孔气体端面密封的静压性能研究[J]. 秦浩,彭旭东,白少先,盛颂恩,李纪云.  摩擦学学报. 2009(03)
[7]多孔扇形分布端面机械密封性能的数值分析[J]. 赵中,彭旭东,盛颂恩,白少先,李纪云.  化工学报. 2009(04)
[8]凹坑表面形貌在面接触润滑状态下的减阻研究[J]. 韩中领,汪家道,陈大融.  摩擦学学报. 2009(01)
[9]摩擦副表面微结构及其超声复合电加工技术研究[J]. 朱永伟,王占和,范仲俊,云乃彰.  中国机械工程. 2008(24)
[10]通过激光纹理加工改善湿式摩擦离合器的摩擦特性[J]. 孟永钢,王东华.  中国机械工程. 2008(08)



本文编号：3534898