基于动网格模型的液体动静压轴承刚度阻尼计算方法

针对雷诺方程不能反映高速油流周向惯性效应、轴颈周向动压效应和静压扩散效应之间的非线性耦合关系及其对三维流场特性的影响,进而导致动静压轴承刚度阻尼的计算精度难以满足高转速精密轴承设计需要之现状,提出基于纳维-斯托克斯方程的动网格计算轴承刚度阻尼新方法。该方法采用自定义程序实现轴颈的旋转速度、位移扰动和速度扰动以及扰动过程中油膜力的计算等功能,成功将轴颈的旋转动边界转换为静边界,有效避免因轴颈旋转引起的网格畸变,并利用弹簧光顺模型更新轴颈受速度扰动和位移扰动引起的油膜网格挤压变形。通过对比研究瞬态和稳态条件下油膜力的变化,界定计算刚度阻尼系数时速度扰动和位移扰动的合理取值范围。利用所提出的方法计算典型轴承的刚度阻尼系数,再现动静压轴承油膜厚度和三维流场压力分布的动态发展过程,并采用影响系数法对该轴承的刚度系数进行试验测试。通过对比试验数据和动网格计算结果发现两者基本吻合,表明所提出的计算方法是有效可行的。     

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。     

SIU250T卧车主轴静压轴承受力分析

由于机床采用恒压力静压轴承,即供油压力一定、通过节流器的调节使得主轴在承受外载荷的情况下处于轴承中心。静压轴承系统无法提供足够的油膜刚度以克服主轴的抗弯曲刚度,使得轴承与轴之间没有刚性的油膜进行支撑,进而造成主轴与轴承摩擦。所以对主轴静压轴承进行受力分析、校核计算,可确定其改造方向。     

磨床用液体静压轴承径向承载特性分析

以磨床用液体静压轴承为例,利用计算流体动力学软件CFX,对动静压轴承的油膜进行稳态分析,得到油膜上的压力场分布,通过流固耦合技术把油膜压力添加到磨床主轴,对静压轴承进行结构静力分析,得到了轴承的径向承载力随偏心距的分布,通过换算求导得到油膜的刚度随着偏心率的分布。研究结果为静压轴承及磨床的转子动力学及静压轴承的优化提供理论依据。     

基于有限元气体静压主轴模态分析

为了分析气体静压主轴的动态性能,研究气体静压主轴的设计合理性和高速稳定性,建立了气体静压轴承刚度的模型,应用FLUENT对气体静压轴承进行了流体分析,计算出了气体静压轴承的支撑刚度。在此基础上应用ANSYS Workbench对气体静压主轴进行模态分析,得到了气体静压主轴的各阶固有频率以及其相应振型。分析结果表明了气体静压主轴的共振频率随着轴承刚度的增加而增加,引起气体静压主轴的临界速度远远大于设计的最高速度,说明气体静压主轴设计是合理可靠的。     

分布式双向可倾瓦动静压推力轴承的静动特性研究

针对机床主轴对推力轴承的高刚度与高精度要求,用可倾瓦块代替部分静压油垫,提出了一种由可倾瓦块和静压油腔联合承载的分布式双向可倾瓦动静压推力轴承.首先建立了分布式双向可倾瓦动静压轴承的润滑模型,提出了基于平衡点性能合成的轴承静动特性计算方法.针对案例轴承对节流器的结构参数进行了优化,分析了载荷、转速、单边间隙和预负荷系数等因素对轴承性能的影响规律,包括刚度、偏心距和温升等轴承静动特性.结果 表明:在合理的参数条件下,该新型可倾瓦动静压轴承的刚度和精度优于双向静压推力轴承,而可倾瓦动压油膜与油腔静压油膜之间的解耦特征,也有利于通过可倾瓦支点进行轴承性能调控.     

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。     

不等封油边静压轴承的设计及应用

通常在静压轴承的设计和计算中,一般都是把主轴看成刚体,忽略主轴在轴承中的弯曲挠度对轴承油膜刚度的影响。而我们研制的不等封油边静压轴承,则不仅考虑了主轴挠度的影响,而且变主轴挠度这个不利因素为提高轴承油膜刚度的有利因素。因此,不等封油边静压轴承的设计,是在固定节流静压轴承的基础上,通过改善轴承本身结构(即轴向封油边不相等),来提高轴承的刚度性能的。与采用固定节流形式的有周向回油槽及无周向回油槽静压轴承相比,不等封油边静压轴承的油膜刚度要大40～90％。     

高效精密动静压主轴热动力学耦合特性分析

针对采用液体动静压轴承支承的高效精密磨床砂轮主轴工作状况,在砂轮主轴静动态特性分析中,考虑了轴承油膜温升的影响。建立了轴承-油膜流固耦合模型,得到随主轴转速和供油压力的变化而改变的轴承油膜温升和动态轴承支承刚度,然后对主轴系统分别进行静态和动态分析,得到轴承油膜温升影响下的主轴静挠度、动挠度和主轴系统的固有频率。结果表明,对于高效精密磨床,轴承油膜的热特性对砂轮主轴系统的静挠度和动挠度具有显著的影响。     

小型动静压振动主轴的仿真与实验研究

一种小型动静压振动主轴,该主轴结合螺旋腔轴承,通过双自由度阀(2D激振阀)控制轴向振动,适用于高转速、高频振动的切削中。通过Fluent软件对动静压轴承油膜在不同参数下的压力分布及承载力大小进行仿真分析。实验采集激振频率在20~800Hz之间,振动腔的压力、主轴振动位移以及主轴振动的加速度;通过测试主轴不同的旋转速度以及不同供油压力对主轴径向位移的影响,分析主轴的回转精度。     

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.     

新型动静压转台油膜力及动态特性研究

为研究新型动静压转台的油膜力分布与动特性变化情况,在充分考虑转台轴向速度产生的挤压流量的同时,基于流量平衡建立转台油膜力的数学模型,利用偏导数法推导转台轴向油膜刚度和阻尼的计算式。在固定负载和和恒定的供油压力下,分析转速对转台的静动特性的影响。分析结果表明:在固定负载和恒定的供油压力下,随着转速的增加,转台的油膜厚度逐渐减小,动压区的承载力逐渐增大,转台总泄漏量逐渐增加,转台轴向油膜刚度和阻尼均逐渐增大。所建的模型充分考虑了转台轴向速度产生的挤压流量,因而仿真计算更符合实际工况,为新型动静压转台的实际生产和性能研究提供理论支持。     

基于压电型薄膜式差动节流阀的静压主轴轴心轨迹理论研究与仿真*

提出一种压电型薄膜式差动节流阀,实现出油口压力的差动控制,并建立节流阀的数学模型,得出了流量公式。静压主轴前端采用静压轴承支撑,后端采用滚动轴承支撑,建立了静压主轴的动力学模型,且忽略静压轴承的动压效应,得到了静压轴承的油膜力以及流量公式。利用压电型薄膜式差动节流阀的差动效应,使节流阀的两个出油口分别连接静压轴承的对置油腔以期实现期望轴心轨迹,且仿真分析了期望轴心轨迹与压电陶瓷位移之间的关系,并得到了初始节流间隙与压电陶瓷位移间的关系。     

高速转子-轴承系统的复杂动力学行为研究

在高速旋转机械的故障诊断研究中,实际转子系统具有复杂的非线性动力学特性,为此,基于非线性转子动力学理论建立高速泵转子系统动力学有限元模型,研究了非线性油膜力作用下的轴承阻尼扣刚度确定方法,分析了陀螺力矩和滑动轴承油膜力作用等因素对转子系统动力学特性的影响,研究了转速、偏心距和轴段直径等因素对转子系统不平衡响应的影响,为工程实际应用中的转子轴承系统的优化设计、故障诊断、振动控制等提供了理论依据.     

螺旋槽气体轴承动态特性及失稳分析

针对高速动静压气体轴承气膜的复杂非线性动力学行为,以球面螺旋槽动静压气体轴承为研究对象,建立润滑分析数学模型;采用有限差分法与导数积分法进行求解,得到动态扰动压力分布及动态特性系数,并研究切向供气条件下螺旋槽参数、径向偏心率、供气压力、转速对气膜刚度阻尼系数的影响规律;建立线性稳定性计算模型,预测气膜涡动失稳转速,分析运行参数对失稳转速的影响。结果表明:气膜阻尼是一种抑制涡动的因素,气膜的稳定性取决于气膜刚度与阻尼的协同作用;气膜刚度阻尼随着槽宽比、槽深比、螺旋角的增大,整体上呈先增大后减小的趋势;刚度随转速的升高而增大,阻尼则随转速的升高而减小;径向偏心率和供气压力越大,气膜刚度和阻尼越大;在一定范围内,提高供气压力、增大径向偏心率能够提高系统失稳转速;合理地选取轴承结构参数和运行参数,能够优化轴承动态特性,保证气体轴承较高的运行稳定性。     

小孔节流深浅腔动静压气体轴承承载特性分析

以小孔节流深浅腔动静压气体轴承为研究对象,采用Fluent软件对轴承的承载特性进行分析,研究偏心率、供气压力、主轴转速、气膜厚度、浅腔深度比等因素对轴承承载力和刚度的影响。结果表明:小孔节流深浅腔动静压气体轴承浅腔区的平均压力大于深腔区的平均压力,压力最大区域出现在浅腔末端靠近轴承端面处;随着供气压力的增加,承载力逐渐增大,但供气压力不应超过0.95 MPa;当主轴转速在3×10~5 r/min以内时,承载力和刚度随着转速的增加呈线性增长规律,当主轴转速超过3×10~5 r/min继续增加时,承载力和刚度的增长趋势明显放缓;承载力与刚度随着浅腔深度比的增加先增大后减小,当浅腔深度是气膜厚度的1～1.5倍时,承载力与刚度接近最大值。     

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。     

Rotational Stiffness and Damping Coefficients of Fluid Film in a Finite Cylindrical Bearing

The dynamic behavior of flexible rotors supported on fluid-film bearings are studied including the rotational stiffness and damping coefficients of the oil film. The rotational stiffness and damping coefficients have been evaluated for a finite cylindrical fluid-film bearing by solving the appropriate Reynolds equation for the oil film, using finite difference method. The resulting critical speeds and the unbalance response for a single-disk flexible-rotor system modelled by finite element method are compared with those which were obtained using a short bearing approximation.     

弹流润滑状态下机床主轴轴承刚度特性分析

圆柱滚子轴承的刚度特性会对机床动态性能产生较大影响。在双列圆柱滚子轴承力学分析的基础上,综合赫兹接触与润滑油膜对轴承刚度的影响,分析了不同工况以及润滑参数下的轴承刚度变化特性。分析结果表明,弹流润滑产生的润滑油膜会使轴承综合刚度下降;随着外载荷的增大,赫兹刚度与油膜刚度均有所提升,轴承综合刚度提高;提升轴承预紧量有利于提高轴承综合刚度;随着转速的提升,轴承综合刚度呈下降趋势;润滑油动力黏度以及黏压系数的增大均使得轴承综合刚度下降。