Temperature field distribution of non-spherical hydrostatic bearings for ultra-precision machine tools

利用ANSYS CFX流体力学分析软件建立了不同油膜厚度下的液体静压轴承流体模型,研究了非球面超精密加工机床液体静压推力轴承的温度场分布.对静压推力轴承进行了试验研究,获得了工作台上不加负载、加300 kg负载、加500 kg负载3种情况下主轴性能各参数.仿真结果表明:油腔区域初始温度为20℃,从封油边开始温度逐渐升高,其中外侧的温度要比内侧温度稍高;当油膜厚度为33μm时,最高温度为20.29℃,当油膜厚度为23 μm时,最高温度为21.72℃,油膜厚度越薄,温度越高.试验计算值与仿真值分别相差3.33％、8.33％、1.32％,证实了液体静压推力轴承设计和数值计算的正确性.     

高速重载静压推力轴承润滑性能研究

以某高速重载数控5m立车的环形腔静压推力轴承为对象,对其润滑性能进行了研究,推导出静压承载力与油膜厚度的关系式。依据计算流体力学（CFD）理论,采用ANSYS ICEM CFD和ANSYS CFX软件对环形腔静压推力轴承内部流体压力场、温度场和速度场进行了仿真计算,通过改变油膜厚度实现对工作台承载变化的研究,得到了不同油膜厚度时压力场、温度场和速度场的变化规律,实现了高速重载静压推力轴承润滑性能预测。     

供油孔区域惯性效应对液体静压推力轴承承载力的影响

分析了液体静压推力轴承供油孔区域惯性效应对其承载力的影响,供油孔区域惯性效应主要影响浅油腔液体静压推力轴承的承载力,当油膜厚度比大于5时,考虑和不考虑供油孔区域惯性效应的承载力之间的相对误差小于1％.对于浅油腔液体静压推力轴承,供油孔区域的惯性效应不容忽视,轴承承载力在考虑和不考虑供油孔区域惯性效应时的相对误差受供油孔...     

螺旋面瓦推力轴承承载能力分析

建立不同结构参数的螺旋面瓦推力滑动轴承润滑模型,并用FLUENT软件进行仿真计算,研究油膜厚度、瓦面螺距以及转速对轴承承载性能的影响规律,为螺旋面瓦推力轴承的设计提供理论基础。结果表明,油膜最高温度随着螺距以及油膜厚度的增加而减小;轴向承载力随着油膜厚度的增加而降低,当最小油膜厚度和转速固定时,存在最优的瓦面升高比使得轴承承载力最大,瓦面升高比为1.4;油膜最高温度与承载力均与转速呈直线型关系;螺旋面瓦的承载力远高于平面瓦。     

变黏度液体静压轴承的温升特性研究

采用广泛使用的有限元法难以探究温升的影响对液体静压轴承动态特性的影响,为此,提出了一种基于有限差分法的变黏度液体静压轴承动态润滑仿真算法,对变黏度液体静压轴承的温升特性进行了研究。首先,改进了油腔的热力学边界条件,以拓宽其适用范围,使其适用于油腔尺寸较大的液体静压轴承;然后,基于有限差分法处理了Reynolds方程、流量连续方程、能量方程以及黏温方程,从而建立了基于MATLAB的液体静压轴承变黏度热流动态润滑模型;最后,采用仿真计算的方法,分析了偏心率ε为0.1～0.4、主轴转速n为3 000 r/min～10 000 r/min(线速度为14.1 m/s～47.1 m/s)时,油膜压力与温升的变化机理。研究结果表明：当主轴转速从3 000 r/min增大到10 000 r/min时,转速的增大会使得液体静压轴承的承载力因动压效应的增大而增大,但其油膜的平均压力却因温度的升高、油膜黏度的降低而下降了约24%;主轴偏心率的增大会导致油膜温度聚集,而主轴转速的增大则导致油膜温升增大,故当偏心率ε=0.4而转速n=10 000 r/min时,油膜的温升较大,且热量发生聚集,其最高温升可达39...     

基于CFX下的液体静压支承油缸油膜的应用研究

液体静压支撑油缸是岩石力学试验机最为关键的组成部分。油缸的润滑油膜厚度、压力分布、刚度、承载力分布直接影响试验机的工作精度。本文以液体静压支撑油缸的润滑油膜为研究对象,基于液体静压技术理论,对油膜的刚度和承载力进行理论数值计算。利用ANSYS-CFX联合仿真平台,对其速度、压力变化进行静态研究,数值计算结果和联合仿真结果一致,从而得出当试验机的轴向载荷为2000 kN时,油缸的油膜厚度取30μm,满足要求。     

油腔结构对液体静压推力轴承承载力的影响北大核心

为说明油腔结构对液体静压推力轴承承载力的影响,选取环形、圆形和扇形3种常见的油腔结构,在油腔面积相同的前提下,通过求解这3种推力轴承的油膜雷诺方程发现环形油腔推力轴承承载力大于其他2种。通过试验对环形油腔推力轴承承载力计算结果进行了验证,当轴承静止时,试验结果与理论结果的一致性良好;当轴承以150 r/min转动时,试验结果与理论结果的误差保持在8%以内,说明了理论分析的正确性。     

离心力对恒流供油扇形静压推力轴承承载力的影响分析

针对恒流供油扇形静压推力轴承传统设计中,承载力计算未考虑离心力影响的问题,推导了计入离心力影响的恒流供油扇形静压推力轴承承载力解析计算公式,并提出了离心力影响因子的概念。探索了基于Gambit软件的扇形静压推力轴承三维建模和网格划分方法,并采用CFD软件FLUENT对扇形静压推力轴承油膜进行了三维流体仿真计算。油膜承载力的仿真结果与解析计算值的误差小于百分之五,验证了该解析计算方法的有效性。基于所推导的解析计算公式,研究了各相关物理量对离心力影响因子的影响规律,得到了对承载力计算时需要考虑离心力影响的各相关物理量数据指标范围,为恒流供油扇形静压推力轴承的设计计算提供了理论依据。     

圆锥液体静压轴承的温升特性分析

针对圆锥液体静压轴承油膜发热的问题,采用积分法推导了绝热条件下圆锥液体静压轴承的平均温升公式,并利用ANSYS CFX软件,对圆锥液体静压轴承的流场和温度场进行了仿真分析。公式计算结果和仿真计算结果吻合良好,通过仿真获得了锥形油膜各点的温度分布。结果表明,转速对油膜温升和温度场分布有一定影响,油膜两端的温升差异较大。对圆锥液体静压轴承的结构设计和工艺参数优化有一定的的参考意义。     

螺杆泵斜-平面固定瓦推力轴承润滑特性分析

为了提升润滑油系统可靠性,避免轴承磨损,采用CFD分析螺杆泵斜-平面固定瓦推力轴承的润滑特性。计算该螺杆泵螺杆轴向力,得到油膜承载力数值范围;采用有限差分法得到油膜压力分布与厚度分布,采用有限体积法仿真分析不同油膜厚度、不同进油温度时轴承的压力场。仿真结果表明：温度通过影响润滑油黏度对轴承压载产生影响,当油膜厚度固定时,进油温度越低,润滑油黏度越大,轴承所受压载越大;当进油温度一定时,油膜厚度降低,则承载能力增加。因此,在低温启动滑油泵时,油膜由薄变厚平衡螺杆轴向力的过程中,轴承压载可能会超过许用压载,从而导致轴承磨损。     

变黏度静压滑动轴承高速时油膜动态润滑特性

静压滑动轴承转台直径大（D=4.5 m）,高转速运行时产生线速度值很大,其内部润滑油膜受压及剪切发热导致油膜变薄进而影响到机床加工精度和运行可靠性。针对新型Q1-205双矩形腔静压推力轴承,采用动网格技术探索变黏度条件静压轴承高速时的油膜动态润滑特性。建立该静压轴承的流量、承载力、油膜温升等理论模型,自定义用于控制边界层网格运动及变黏度的UDF程序,选取外载荷12 t,转速为80~200 r/min（线速度18~48 m/s）高速下的工况条件参数进行动态润滑特性数值模拟,并进行相同工况参数下的试验验证,揭示出高速时油膜厚度变化对油膜温度、油腔压力、封油边处流量的影响规律。研究发现,该型号轴承在承载12 t时,随着膜厚的减小,油膜剪切发热严重,温升加剧,且高速下受润滑油黏度变化影响造成压力损失严重,研究数据为工程上静压轴承可靠运行提供理论依据。     

Nanosys-1000机床静压止推轴承流场分布规律及承载特性

为了提高Nanosys-1000非球面曲面光学零件超精密加工机床加工精度,研究了机床核心部件静压止推轴承内流场分布规律,进而揭示其承载特性。利用ANSYS/Fluent软件建立对称结构静压止推轴承扇形油垫的仿真模型,采用层流模式对进油压力为1.3~1.9 MPa、油膜厚度为20~36 μm的油垫流场分布规律与承载特性进行分析。研究结果表明：油垫内压力在油腔区域比较均匀,沿封油边呈线性下降;油膜承载力随油腔压力线性增长,且在同一进油压力下,油膜厚度越小,油膜承载力越大,进油压力为1.5 MPa时,油膜厚度从36 μm减小到20 μm,油腔压力从3.05×10⁵ Pa增加到8.02×10⁵ Pa,油膜承载力相应地从880 N增加到2 109 N;同一负载即油膜承载力下,进油压力越高,油膜厚度越大,油膜承载力为1 320 N时,进油压力从1.3 MPa增加到1.9 MPa,油膜厚度从26 μm增加到30 μm;同一油膜厚度下,进油压力越高,润滑油流量越大,油膜厚度为28 μm时,进油压力从1.3 MPa增加到1.9 MPa,润滑油流量从0.179 L/min增加到0.231 L/min。相关研究结果在研制的Nanosys-1000非球面曲面超精密加工机床静压止推轴承上得到了验证。     

轮缘推进器水润滑聚晶金刚石推力轴承承载性能试验研究

为解决舰船轮缘推进器（RDT）水润滑推力轴承承载能力差、使用寿命短等问题,提出采用超硬材料聚晶金刚石（PCD）为摩擦副的重载水润滑推力轴承设计方案。研制了金刚石粒度分别为10 μm,25 μm和35 μm的PCD推力轴承并开展了台架试验和RDT样机试验。台架试验结果表明,粒度为10 μm的轴承在重载工况下的摩擦因数波动剧烈,而粒度为25 μm和35 μm的轴承在20 MPa比压下可以稳定工作。该比压比现有RDT采用常规软/硬材料配副的水润滑推力轴承比压提高了40倍。转速为400 r/min时轴承的稳定摩擦因数约为0.015,且在数十小时的试验中无磨损迹象。粒度为35 μm的轴承通过了在RDT样机上开展的为期1个月的启停、加减速、高速重载等严苛工况下的试验考核,证明水润滑PCD推力轴承可以胜任RDT极端恶劣环境的工作。     

Experimental assessment of hydrostatic thrust bearing performance

This work presents an experimental study to assess the performance characteristics of hydrostatic thrust bearings. A test rig is designed for testing two configurations of hydrostatic bearings compensated by a capillary tube, one with a mid-circular recess and the other with multi-sectors (four recesses of different recess radii ratios). The performance characteristics have been measured, namely, oil film thickness, recess pressure, pressure distribution and oil flow rate. A specially devised computer program using an iterative technique has been adopted to compute numerically the pressure distribution and predict other performance characteristics. Good agreement has been obtained between predicted theoretical performance and that experimentally measured. The results demonstrate that the bearing recess size and location have a great influence on the performance of the hydrostatic thrust bearing.     

推力轴承支承方式及间隙影响研究

研究了推力轴承支承方式及油膜间隙对推力轴承性能的影响,利用Newton-Raphson法编制差分计算程序,求得了推力轴承Reynolds方程和二维能量方程的数值解,得到了不同支撑方式下瓦块的油膜厚度、压力分布和温度分布。计算结果表明,点支承扇形瓦推力轴承的热力学性能要好于线支承扇形瓦推力轴承,同时支承处的油膜厚度对瓦块的承载能力影响很大。可以通过控制每个瓦块支承处的油膜厚度,避免推力轴承内部偏载的发生,降低推力瓦块的最大温升。     

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。     

液体静压转台倾斜油膜承载特性解析

针对CFD数值仿真计算过程中建模周期长、计算效率低的缺点,基于各封油边当量油膜厚度思想采用解析法来研究液体静压转台倾斜承载特性,推导了倾斜油膜承载力、弯矩和刚度的计算公式,提高了计算效率。利用CFD软件Fluent对油膜进行了数值仿真,结果表明倾斜油膜承载力误差保持在6%以内,弯矩误差保持在8%以内,验证了解析公式的可靠性。利用所提出的解析方法研究了倾斜位移率、供油压力、节流孔径和转速对油膜基本性能参数的影响规律。     

Theoretical and Experimental Study on the Axial Oil Film Stiffness of Tilting Pad Thrust Bearings

Tilting pad thrust bearings are a key component of marine propulsion shaft systems. The dynamic performance of thrust bearings has a significant influence on the propeller vibration. To investigate the axial oil film stiffness of tilting pad thrust bearings, a two-dimensional thermohydrodynamic model incorporating the vibration frequency is developed. The test apparatus and experimental identification model are also constructed. The axial oil film stiffness is experimentally identified at different speeds, loads, and temperature employing the hammer impulse excitation. The axial oil film stiffness between theoretical and experimental results is compared. The discrepancies are not more than 7% for 30 kN operation cases but increase with axial static load. This is partially because the influence of the pivot stiffness becomes obvious with the axial static load increase and cannot be ignored. The results indicate that axial oil film stiffness is at a magnitude of 10⁹ N·m^?1. Compared to foundation stiffness of the thrust bearing system, the influence of axial oil film stiffness needs to be considered for bearing–rotor system design of marine propulsion systems in engineering practice.