有限元数值模拟在静压轴承设计中的应用

采用有限元法，借助ANSYS软件和自编子程序计算出了一定载荷下静压轴承流场的速度分布、压力分布及油膜的承载能力，得出了该载荷下保持液体摩擦状态所需的油腔供油压力，并根据计算结果设计了静压轴承的供油系统，经实用和跟踪测试证明，该系统工作良好。     

液体静压技术在机床上的应用

一前言 液体静压技术在机床中多应用于支承部件,包括静压轴承、静压导轨和静压丝杠(简称“三静技术”)。液体静压支承的主要特点是:依靠供油系统供给压力油,通过节流系统,将进入支承油腔中的压力调节到与外界负载相当。因此,在各种相对运动速度下均可使支承处于完全液体摩擦状态下运转,即使在极低的速度下,甚至停止运动仍能保持金属不接触状态,因而运动平稳,而且摩擦付不会产生磨损。由于这些特点,近年来在机床上已越来越广泛地采用了静压支承。静压支承的优越性在实践中逐步被确认。有关静压支承的理论研究也在不断深人。目前我国在有关机…     

滚珠丝杠的静压结构改造及其流场数值模拟分析

为了提高废旧机床的加工精度,提出在现有丝杠的基础上利用注塑成型技术实现静压丝杠副的成型方法。基于液体静压向心轴承的设计理论,设计了静压螺母的关键结构参数。运用Pro/E三维成型技术建立了静压丝杠副三维模型,并采用FloEFD流体分析软件对静压丝杠螺母的内部流场进行仿真分析,得出了不同负载压力下静压腔、封油边和回油槽内液体压力分布以及丝杠受到的液压作用力。分析表明:静压腔内液体压力分布均匀;在负载作用下,液体静压螺母内部上方静压腔内液体压力大于下方静压腔内液体的压力;丝杠表面受到均匀的液体作用力、丝杠与螺母之间通过均匀的油膜间接接触。因此,应用油膜的均化误差效应可以降低丝杠表面精度的要求。     

液体动静压轴承油膜的压力场和温度场分析

针对深浅腔液体动静压轴承的承载特性等问题,对液体动静压轴承的油膜压力场和温度场进行了仿真分析。以超高速磨削电主轴系统中常用的深浅腔液体动静压轴承为研究对象,建立了液体动静压轴承油膜的三维有限元模型,对油膜进行了网格划分,并对划分后的网格进行了质量评定;采用动网格技术实现了对油膜偏心率的变更,在不同主轴转速、偏心率的工作条件下,计算了深浅腔动静压轴承油膜压力和温度的分布情况,分析了其油膜压力分布和温度分布的变化规律;研究了转速、偏心率对动静压轴承的承载力和油膜温升的影响规律。研究结果表明:在深浅腔液体动静压轴承运转过程中,随着转速和偏心率的提高,油膜承载力和温升也随之提高,且转速对油膜温升的影响要比偏心率大。     

M7130型静压磨头部件与静压技术的产业化

1．概述 机械运动的运动副之间，用一层具有一定压力、一定刚度的液体或气体将其浮起，使之处于液体或气体支承状态，运动副运动时处于纯液体或气体摩擦的技术，称之为液体静压或气体静压技术，统称为静压技术。运用该技术可以制造出高精度的运动副，如：静压导轨、静压主轴部件（如：磨头、车头、镗头）、静压丝杠等，可广泛用于国防、航天航空、精密仪器、精密机械、精密机床等高科技领域，特别是磨削机床的制造领域。以研发的M7130型静压磨头为例，其原理如图1。供油装置供给的压力油，经节流后分别进入前后轴承各油腔，将主轴浮起，当主轴旋转时，没有金属接触，处于纯液体摩擦状态，其特点是：     

基于耦合传热的圆锥液体静压轴承热态性能分析

针对圆锥液体静压轴承的发热问题,利用CFX软件建立了轴承系统耦合传热模型。首先分析了网格数量对计算精度的影响,然后求解获得了轴承的温度场分布和热量传递情况,最后分析了不同参数对轴承热态性能的影响规律。结果表明,采用CFX软件计算圆锥液体静压轴承耦合传热问题是可行的,与绝热假设下的计算方法相比,耦合传热有效地反映了真实的传热情况;圆锥液体静压轴承的端泄散热占总散热量的大部分,轴颈散热能力最弱,在不同的转速和进油压力下,各个方向上的散热比率发生变化。     

运行参数对静压气体轴承动力学特性的影响

基于MATLAB编程,利用有限差分法耦合比例分割法求解Reynolds方程,获得静压气体轴承的压力分布;采用偏导数方法,获得静压气体轴承扰动状态下的润滑方程,求解其动态刚度系数以及动态阻尼系数。针对双排孔供气、每排8孔均布的气体轴承模型进行数值计算,分析在特定结构尺寸下静压气体轴承的运行参数(供气压力、转速、偏心率)对其动力学参数及稳定性的影响。结果表明:静压气体轴承的主刚度和主阻尼系数随供气压力及偏心率的增加而增大,主刚度随着转速的增加而增加,主阻尼系数随转速的增加而减少;低频扰动更易使气体轴承发生失稳,适当提高运行偏心率可以提高轴承稳定性。     

非球面超精密机床静压轴承温度场的分布

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300kg负载、加500kg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23μm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。     

滑动轴承动力学温度及压力分布规律研究

从系统动力学的角度出发分析了滑动轴承在运动状态下的内部温度变化规律和压力分布规律,建立了滑动轴承内部在系统动力学下的温度场模型和动态油膜压力分布模型,并对模型进行了数值仿真.仿真结果表明:滑动轴承在系统动力学状态下,其内部的温度分布规律是沿轴承套中心轴线方向,往外温度升高较快;动态油膜压力的大小与转子的位移有关,并且油膜压力在动力学状态下呈不对称分布,与轴承的摩擦磨损有着紧密的关系.这些工作对于进一步掌握滑动轴承内部在系统动力学下的温度和压力分布规律有一定的借鉴意义,为滑动轴承内部的动态摩擦磨损的研究提供了理论研究支撑.     

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.     

球磨机静压轴承静态压力场及流场仿真分析

针对多油腔静压轴承压力油流动的复杂性,使用通用流体有限元软件CFX对油膜进行数值模拟,分析了静态下的油膜压力及流场对静压轴承承载能力的影响.结果显示,圆形主油腔使压力场及流场稳定、均衡;不同的进油速度影响到副油腔压力的大小;通过分析轴瓦出口边缘的流线稳定性,可验证油腔尺寸合适与否.     

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。     

液压缸静压支承抗偏载特性分析

对液压缸静压支承抗偏载特性进行了研究,分析静压支承液压缸的润滑性能与泄漏特性,利用FLUENT软件对油膜的压力场特性进行仿真分析,分析液压缸静压支承的抗偏载特性;对静压支承导向套的矩形和工字形油腔的油膜特性进行分析对比,研究液压缸运动速度、偏心量、入口流量与静压支承导向套的承载力和润滑性能之间的关系;搭建实验台,利用电涡流传感器测量活塞杆的偏心距离,对静压支承液压缸与无静压支承液压缸的抗偏载性能进行对比。     

变频恒流静压轴承的研制

在恒流静压轴承系统中,引入了温度、压力、流量反馈,数据处理系统通过PLC控制交流变频电动机来调节静压轴承静压油流量,处于最佳状态时锁定。此轴承很好地解决了我们研制的DL250数控重型卧式镗车床静压轴承重载高精度的难题。     

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。     

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。     

油膜轴承传动轴系动载系数计算方法

针对传动轴系动载荷变化难以准确用数学函数描述的问题,基于刚体动力学理论,综合考虑轴系刚性与弹性振动特性,提出近似求解动载荷的分析方法,建立轴系动载荷分析模型。通过分析现有油膜轴承试验装置中传动轴系的机械结构组成,推导传动轴系在启制动工况突变时的动载系数计算公式;根据传动轴系的结构参数,确定动载系数取值范围;同时给出该动载系数模型在工程应用中的典型形式。计算表明：轴系在启制动之前,相比没有静压润滑的情况,使用静压润滑的油膜轴承的动载系数相对较小,振动对其油膜稳定性的影响较小。     

Theoretical Analysis and Numerical Simulation of the Static and Dynamic Characteristics of Hydrostatic Guides Based on Progressive Mengen Flow Controller

The oil film thickness of oil hydrostatic guide with constant pressure supply based on capillary restrictor is greatly affected by load,and this kind of hydrostatic guide is usually applied to the machine tools with moderate load.The static and dynamic characteristics of the guide have been studied by using some theoretical,numerical and experimental approaches,and some methods and measures have been proposed to improve its performances.The hydrostatic guide based on progressive mengen(PM) flow controller is especially suitable for the heavy numerical control(NC) machine tools.However,few literatures about the research on the static and dynamic characteristics of the hydrostatic guides based on PM flow controller are reported.In this paper,the formulae are derived for analyzing the static and dynamic characteristics of hydrostatic guides with rectangle pockets and PM flow controller according to the theory of hydrostatic bearing.On the basis of the analysis of hydrostatic bearing with circular pocket,some equations are derived for solving the static pressure,volume pressure and squeezing pressure which influence the dynamic characteristics of hydrostatic guides with rectangle pocket.The function and the influencing factors of three pressures are clarified.The formulae of amplitude-frequency characteristics and dynamic stiffness of the hydrostatic guide system are derived.With the help of software MATLAB,programs are coded with C++ language to simulate numerically the static and dynamic characteristics of the hydrostatic guide based on PM flow controller.The simulation results indicate that the sensitive oil volume between the outlet of the PM flow controller and the guide pocket has the greatest influence on the characteristics of the guide,and it should be reduced as small as possible when the field working condition is met.Choosing the oil with a greater viscosity is also helpful in improving the dynamic performance of hydrostatic guides.The research work has instructing significance for analyzing and designing the guide with PM flow controller.     

Pressure distribution in a curvilinear hydrostatic bearing lubricated by a micropolar fluid in the presence of a cross magnetic field

The flow of a micropolar fluid in the clearance of a curvilinear hydrostatic thrust bearing in the presence of a cross magnetic field was considered. By solving the equations of motion for the orthogonal curvilinear coordinate system, a formula describing the pressure distribution was obtained. Plane and spherical thrust bearings were considered as examples.