静压主轴轴心轨迹的主动控制

为实现活塞椭圆销孔加工的新方法,需要主轴轴心沿着期望的小椭圆轨迹运动。对一种液压伺服回路系统进行深入研究,利用回路中的电液伺服阀来主动控制轴心的运动轨迹。首先建立主轴的动力学方程,并联立雷诺方程、流量连续性方程及承载力公式,获得了轴心运动坐标与电液伺服阀控制参数的定量关系。最后利用MATLAB软件得到轴心运动轨迹为椭圆时,伺服阀的控制参数及静压油腔的压力参数,这为活塞椭圆销孔精密加工新方法的后续实现奠定了理论基础。     

液体静压推力轴承设计与FLUENT仿真分析

轴承的振动检测是轴承生产检测中的重要环节,轴承振动检测仪是轴承振动检测的重要检测仪器。根据2010年4月起实施的新的滚动轴承振动测量方法,针对测量最大外径为200mm的深沟球轴承振动检测仪主轴系统轴向承载能力不足问题,基于经典流体力学公式,对其主轴系统中的关键部件液体静压推力轴承进行了详细设计与计算。所设计的推力轴承在最大轴向载荷990N作用时,轴向位移为2.6μm。在空载静止满足条件基础上,运用模拟仿真软件FLUENT对所设计的结构进行仿真分析,得出随主轴转速的提高油膜刚度程线性增加,而流量不随主轴转速的提高而改变。进一步分析得知,环形油腔推力轴承在主轴旋转时其动压效应主要产生在油腔及内外缘出油间隙处。该液体静压推力轴承,设计合理可靠,可供同类别产品主轴系统提供设计参考。     

油腔式静压轴承的动特性和稳定性近似分析

本文在小扰动条件下，利用流量连续方程推导出油腔式静压轴承的刚度和阻尼系数的近似计算公式。     

可控节流液体静压主轴回转精度提升的机理研究

可控节流技术可以显著提高液体静压主轴的刚度和回转精度,在工程上已得到实验证实,但是液体静压主轴在可控节流条件下是如何提高回转精度的过渡过程一直不明确。利用现有的液体静压主轴理论,还不能定量解释可控节流静压主轴从不平衡状态到平衡状态、以及稳态回转误差显著缩小的过渡过程。在考虑轴颈惯性力和非线性油膜力的基础上,根据可控节流器的工作原理和节流特性,建立了可控节流液体静压主轴动态轴心轨迹的理论模型,利用该模型进行数值模拟对过渡过程中的一系列物理现象做出了合理的定量解释。研究发现,在轴承结构参数和液压系统参数相同的条件下,可控节流主轴相比于固定节流可以显著缩短轴心轨迹的过渡过程响应时间、减小轴颈偏心位移、降低主轴稳态回转误差,从理论上揭示了可控节流器可以提高液体静压主轴油膜刚度和回转精度的物理机理。     

基于重复控制的静压轴承-主轴系统非圆轴心轨迹成型技术研究

非圆轴心轨迹成型技术可用于异形曲面加工等特殊用途。为提高非圆轴心轨迹的成型精度,提出了可控静压轴承主轴系统的重复控制方法。可控静压轴承主轴系统是一个多变量耦合系统,模型复杂。为了便于控制器的设计,对系统原有线性参变模型进行了简化,建立了线性解耦模型。根据非圆轴心轨迹成型的特点,将重复控制器引入原PI控制系统,并根据稳定性准则,设计了重复控制器各参数,同时,为保证系统对非圆轨迹的跟踪精度,分析了增益参数对系统稳定性和性能之间的影响。最后建立了可控静压轴承主轴仿真与实验系统,并将重复控制与传统PI控制策略进行了对比。结果表明,该重复控制系统具有较强的鲁棒性且稳态误差更小,控制精度相较于PI控制系统有显著的提升。     

液压管路脉动主动控制的消振阀的设计

液压管路脉动主动控制方法由于其强自适应能力和较好的脉动削减效果而越来越受到重视,针对基于旁路溢流原理的脉动主动控制理论中对消振阀的性能要求,设计了锥阀结构的高频响压电直驱式节流阀,利用压电陶瓷的高频响、高输出力特性,并采用环形压电叠堆来优化阀的结构尺寸。建立了压电直驱式节流阀的数学模型,通过理论计算和仿真分析得到,该压电式节流阀从阀芯位移量、响应频率、流量特性角度都能满足脉动主动控制对消振阀的要求。     

主控型液体静压轴承转子系统的模型辨识

基于雷诺方程和流量守恒方程建立液体静压主轴转子系统模型，以主动单面薄膜节流阀为控制元件，对主轴的径向运动进行控制。采用频域辨识法对系统输入输出进行辨识，发现静压主轴转子系统在低频低电压范围下的系统特性更接近二阶系统，并通过公式计算出系统的传递函数，得到小扰动下的系统模型，设计模型预测控制(MPC)与PID控制器验证辨识模型的有效性，试验与仿真对比表明，该模型能较为精准地反映系统输入输出特性。     

液体静压主轴回转误差的形成机理研究

液体静压主轴是精密、超精密机床的核心功能部件,虽然已在工程领域获得广泛应用,但其回转误差的形成机理长期以来并不明确。利用现有的静压主轴计算模型,难以对主轴从静平衡位置到动态回转误差轨迹的过渡过程进行定量精确的计算和仿真,难以揭示出回转误差运动的扰动因素与主轴位置、轴承流量和油膜力等因素之间的内在联系,因而不能从物理本质上合理解释静压主轴回转误差的形成机理。建立了液体静压主轴回转误差的动力学模型,采用全程动网格方法、平衡位置动网格方法和平衡位置油膜刚度阻尼等三种方法,定量再现了主轴从轴颈与轴承的同心初始位置到形成回转误差运动轨迹的过渡过程,揭示了静压主轴形成平均回转中心和回转误差时扰动因素与主轴合力、轴承流量和轴心位置之间的相互影响规律。采用最小二乘法对回转误差轨迹进行评价,对比分析了三种方法计算结果存在差异的原因,提出了可同时兼顾计算效率和计算精度的将动网格与油膜刚度阻尼相结合的回转误差计算方法。     

基于小孔节流的静压油膜轴承动态特性分析

静压轴承的动静态特性在很大程度上受到节流装置的影响,以小孔节流的静压轴承为研究对象,开展其动态特性理论的研究。利用两平行平板缝隙液体流量公式推导了轴承油腔流出的流量数学模型,并充分考虑了主轴转子速度对流量的影响因素,使之更符合实际工况;在对小孔节流后流入轴承油腔的流量方程进行线性化处理的基础上,建立了静压轴承系统的流量连续性方程;结合轴承-主轴系统动力学方程,推导出小孔节流的静压轴承系统动态特性的传递函数,分析了小孔节流静压轴承系统的动态特性。结果表明:小孔节流的四油腔静压轴承动态响应速度在0.06~0.12 s范围内变化,增大供油压力、油腔承载面积、主轴转速及减小油膜粘度、油膜间隙等均有助于提高轴承系统的响应速度。研究结果对于指导工程设计具有一定的参考价值。     

介绍一种电火花机床的静压轴承

原理 电火花机床的静压轴承由能支承套筒的油囊组成(图1),环状油囊对套筒的侧向位移说来有很大阻力,因而能使其精确定心。油囊压力油管和节流阀与压力油接通。我们现在来分析一下,当套筒向左移动时会产生什么情况?左油囊的出油口将被封闭。如果没有节流阀,油将要从对面油囊增大了的间隙流走,而且根本形不成使套筒保持定心的压力。由于有节流问,油囊里的油压低于油泵压力,计算表明,最佳定心力大约在油泵压力的50%时达到。如果套筒向左移动,左油囊的出油口又被封闭,因为不存在油流而且节流阀没有压力降,油压将升高到全油泵压力。另一方面,对面…     

液体静压主轴油膜滑移现象的分析及试验研究

针对液体静压主轴运动过程中动态特性问题,研究微尺度下油膜滑移对轴承承载力,刚度及动态刚度的影响。把微尺度下发生的速度滑移引入到油膜性能方程中,结合液体静压主轴系统平衡方程推导出了主轴系统承载力、刚度及动态刚度表达式,研究了油膜初期主轴静动态性能及油膜动刚度特性。从仿真结果中得到油膜滑移的发生使得承载力及刚度增大,最大刚度对应油膜厚度减小。最后刚度检测试验间接得出了实际主轴系统油膜流动过程中,存在油膜微滑移现象。本项研究为液体静压主轴微尺度下油膜滑移现象及性能的研究探索了一条新途径。     

一种可控滑动轴承-转子系统性能计算方法*

针对可控滑动轴承油膜性能计算困难问题,提出一种考虑基础参振的滑动轴承性能计算的动网格模型,阐述网格更新原理,给出可控滑动轴承所支撑转子系统轴心轨迹的计算方法。在滑动轴承-转子-基础系统的性能计算时,该方法保证油膜径向网格线和轴颈表面垂直,能减小轴承油膜性能计算的累计误差。通过不平衡载荷条件下的转子轴心静平衡位置计算结果与油膜力数据库方法、经典数据进行对比,验证了该模型的正确性,并利用该方法分析受正弦位移激励的滑动轴承-刚性转子系统的工频振动情况。结果表明：选择合适相位和幅值的正弦位移激励来控制轴承座,可减小转子系统的不平衡振动。这为基于超磁致伸缩材料的轴承、基于压电陶瓷材料的轴承、柔性铰链可倾瓦轴承等可控轴承-转子系统的性能计算提供了一种新方法。     

液体圆柱静压导轨设计参数对其性能的影响

为研究液体圆柱静压导轨的初始参数对导轨性能的影响,以内反馈节流形式的液体圆柱静压导轨为研究对象,列出力平衡方程、流量连续性方程,经推导和线性化处理得到液体圆柱静压导轨的线性化微分方程组,利用Laplace变换得到传递函数,推导出液体圆柱静压导轨的数学模型。从时域、频域内分别分析初始油膜厚度、油液黏度、供油压力对导轨性能的影响。研究表明在低频段减小初始油膜厚度、增大油液黏度和供油压力,在高频段增大初始油膜厚度,可增大导轨动态刚度,提高支承的稳定性,减小导轨间隙相对稳态位移值。在高频段,油液黏度、供油压力对液体圆柱静压导轨的动态性能影响不大。研究工作对液体圆柱静压导轨的设计提供参考价值。     

高速插齿机静压主轴实验设计

根据高速插齿机静压主轴结构,设计出一套实验装置,进行静压支承的承载能力、润滑油压力、油膜厚度以及润滑油流量的测量。通过承载能力及油膜厚度结果,可以推算出支承的油膜刚度,通过实验验证仿真的准确性。     

Dynamic behavior of fluid‐structure coupling of hydrostatic spindle under effect of oil film slip

To better understand the dynamic characteristics of a hydrostatic spindle in fluid‐structure coupling, the impact of oil film slip on the 4 dynamic stiffness and damping coefficients of the spindle is studied. On the basis of modified Reynolds equation, which considers the microscale velocity slip effect, rotation error of the spindle is calculated. To solve the rotor axis orbit under the existence of eccentric quality, 4 dynamic stiffness and damping coefficients of the oil film, which describe the dynamics of a rotor axis orbit, are calculated by using load increment method and the pressure perturbation method. The research results show that velocity slip caused a certain impact on dynamics of bearing stiffness and damping performance. The experiment of the measuring path of the shaft verifies the correct and effect of the orbit of shaft center model.     

基于高效深切磨床轴承主轴系统的有限元分析

针对实验室研制的高效深切磨床动静压轴承主轴系统,首先利用计算流体力学软件CFX,对动静压轴承的油膜进行稳态分析,得到油膜上的压力分布。通过在不同的小位移和速度扰动的情况下轴承油膜承载力的变化规律,依此来确定轴承油膜的刚度和阻尼系数。在ANSYS中,采用Ma-trix27单元来模拟动静压轴承油膜的刚度和阻尼作用,并对主轴进行模态分析。结果表明,在微小的位移扰动和速度扰动的情况下,油膜的弹性力和阻尼力近似为线性的,主轴模态有限元计算结果与实测结果基本一致,证明了该分析方法的正确性。     

Performance characteristics for the hydrostatic thrust bearing of a saw blade

A semi-analytical solution is presented to obtain the pressure distribution, the load capacity, the frictional moment and the lubricant flow rate for a laminar flow, hydrostatic bearing with its axis offset from thee axis of the saw blade. The general equations are developed and solved for a variable film thickness due to plate vibrations. It was found that the load, friction and lubricant flow rate are strong functions of film thickness variations , bearing number λ and the bearing offset from the rotation axis     

Dynamic characteristics of spindle with water-lubricated hydrostatic bearings for ultra-precision machine tools

A key component of ultra-precision machine tools is the spindle. The motivation for this study was to improve machining accuracies in precision cutting and grinding by pursuing improvements in the spindle characteristics by designing a sophisticated spindle with water-lubricated hydrostatic bearings. The static bearing stiffness of the developed spindle was investigated in previous studies. In addition to the static bearing stiffness, the dynamic characteristics regarding bearing stiffness also affect significantly on the machining results. In this study, dynamic characteristics of the developed spindle with water-lubricated hydrostatic bearings were investigated via simulations and experiments. Not only bearing dynamics but also rotor dynamics were considered in this study.In the simulation studies, the spindle dynamic characteristics were analysed based on the transfer matrix method. A spindle rotor supported with hydrostatic bearings was represented by discrete sections of the rotor. The mathematical model of transverse linear vibrations of the spindle rotor was derived with distributed parameters for these discretized rotor sections. As a result of the analysis on the amplitude-frequency characteristic, radial displacements of the rotor due to bearing displacement and bending deformation were defined. Then, the frequency characteristics were represented with Nyquist plots. Resonant frequencies and amplitudes formation in the transverse vibration of the rotor were determined. The influence of rotor bending deformations on spindle compliance was assessed. Furthermore, the study examined the influences of the supply pressure of the lubricating fluid, radial clearance and journal diameter of the hydrostatic bearings on the amplitude of the rotor vibration, and the resonance frequency of the system.Furthermore, the dynamic characteristics of the spindle were examined experimentally. The simulation results were in good agreement with the actual spindle dynamics obtained experimentally. The influence of the structural parameters of the rotor and the operating parameters of the bearings on the spindle dynamic characteristics was also determined. It was verified that the amplitude of the vibration of the rotor overhang part was dominantly affected not by bearing stiffness but by bending stiffness of the bearing journal of the front bearing and the length of the rotor overhang.Then it was verified that the resultant displacement of the rotor in the radial direction due to the influence of the bearing characteristics and the structural effect of the rotor is significantly small. Practical recommendations to improve the spindle design in terms of the dynamic characteristics of the spindle with water-lubricated hydrostatic bearings were also derived.     

基于Fluent的静压支承油膜仿真计算研究

以静压支承结构为研爱对象,利用Fluent工具对整个静压支承结构进行了数值仿真,验证了静压支承油膜的形成。仿真分析的结果表明,初始尺寸的静压支承结构压力油膜能够形成,油腔部分压力场基本稳定,油膜部分压力场逐渐减小：油膜部分流速较大,固定阻尼部分流速变化较大;初始油腔的厚度值较大,会在油腔内部形成涡流;最后根据分析结果对结构尺寸作了局部优化。     

速度滑移影响下液体静压止推轴承静态性能分析

为了研究微尺度下速度滑移对液体静压止推轴承性能的影响,将速度滑移模型引入传统雷诺方程中,得到修正的雷诺方程;通过求解修正后的雷诺方程,得到速度滑移影响下八油腔液体静压止推轴承的静态性能特性。研究结果表明:速度滑移的存在并没有改变轴承性能的变化趋势,但使得相同油膜厚度下油膜压力、轴承承载力和刚度增大;随着滑移长度的增大,轴承油腔压力、承载力及刚度增大,最优油膜厚度变小;轴承的承载力和刚度随着供油压力的增大而增大,供油压力相同时,速度滑移使得轴承承载力和刚度有一定程度的增大。