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液体静压支承系统的动态性能研究

作　者: 权好
导　师: 李晓阳
学　校: 北京工业大学
专　业: 力学
关键词: 静压支承理论分析波动载荷数值模拟
分类号: TG502.3
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
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内容摘要

液体静压支承技术是现代工业生产中一项非常重要的技术，尤其是在高精度、高效率的重型及超重型机床中得到广泛应用。油膜刚度和承载力是液体静压支承系统的主要性能指标，液体静压支承技术的主要研究方向是油膜刚度、油膜承载力以及稳定性的定量分析与计算。为了保证在不同载荷条件下，机床静压导轨具有良好的运动精度和低速平稳性，必须对液体静压支承系统的油膜进行有效地控制，所以对油膜性能的研究，包括理论分析、数值模拟以及实验研究就显得极为重要。本文以液体静压支承系统为研究对象，分别对静态和动态载荷作用时的液体静压支承系统的性能进行了分析。首先，通过流体力学的基本方程推导出静态时静压支承系统流场的控制方程，分析了非线性项对油腔流场特性、封油边的压力、承载力以及油膜刚度的影响，进一步推导出波动载荷作用时液体静压支承系统的动态方程，最后通过数值模拟综合分析了静、动态载荷作用下液体静压支承的流场特性。（1）通过理论研究的方法对液体静压支承系统静态时的流场进行了分析。静态下，封油边上的承载力及刚度的变化趋势都是随着油膜厚度的增大而减小的，并且是非线性的；非线性项对油腔入口处流动状态有影响，减小了入口流的速度，增大了入口流的影响范围；非线性项总是阻止压强沿径向的下降；承载力及刚度公式中由非线性项引起的影响总是与公式主体（粘性因素引起那部分承载力或刚度）方向相反；随着油膜厚度的增加，承载力及刚度中非线性项所占的比例变大，达到一定程度就不能忽略了。（2）通过理论研究的方法对波动载荷下液体静压支承系统进行了分析。当液体静压支承系统受到正弦载荷作用时，经过起始几个周期的不稳定状态后，转变为由简谐激励引起的稳态响应，油膜的稳态响应与正弦载荷有一定的滞后，滞后的相位为。（3）通过数值模拟的方法对静态时液体静压支承流场进行了模拟，并与理论分析相结合。流场中入口处速度变化比较剧烈，但影响范围很小，其它位置包括封油边处流动均为平稳层流；油腔入口处的压力变化较大，但影响范围很小，整个油腔压力几乎不变，封油边上的压力是逐渐减小的。由于承载力主要受压力变化的影响，所以认为油腔腔体内的流动对油膜承载力影响不大，而认为封油边上的压力变化是影响承载力变化的主要因素。（4）通过数值模拟的方法对波动载荷下的液体静压支承流场进行了模拟，并与静态分析比较。波动载荷对静压支承整个油腔内产生漩涡有影响，从而影响油膜的稳定性；波动载荷对油腔内流场速度分布有影响，但并不影响流场达到稳定时的速度分布；封油边上的速度达到稳态时总是围绕一个恒定的数值，随着时间小幅度的上下波动。这一稳态数值上与静载时的速度分布十分接近；封油边上的压力变化比较剧烈，随着时间的推移，压力变化振幅逐渐变小，并围绕一个恒定的数值，随着时间小幅度的上下波动，并且这一恒定的数值小于静载时封油边上的压力值。（5）通过数值分析模拟了不同频率波动载荷下油膜厚度的变化情况并与理论分析比较。波动载荷作用下，低频时油膜稳定性好但是稳定时波动幅度大，油膜厚度大，承载力比较小；而高频时油膜厚度比较小，承载力比较大，稳定时波动幅度较小，但是高频时油膜稳定性较差，甚至出现油膜压死的现象。

全文目录

摘要  4-6
Abstract  6-10
第1章绪论  10-18
  1.1 研究背景及意义  10-11
  1.2 国内外研究现状  11-16
    1.2.1 润滑机理研究  11-12
    1.2.2 流场流动特性研究  12
    1.2.3 平行圆盘间轴对称径向发散流动的研究  12-14
    1.2.4 边界滑移问题的研究  14-15
    1.2.5 液体静压支承动态特性研究  15-16
  1.3 静压技术的应用  16-17
  1.4 本文的研究内容  17-18
第2章静压支承工作原理及工程计算方法  18-24
  2.1 静压支承的工作原理  18-20
    2.1.1 定压供油式静压支承的工作原理  18-19
    2.1.2 定量供油式静压支承的工作原理  19-20
  2.2 液体静压支承的工程算法及与本文理论推导的不同  20-23
    2.2.1 工程算法中圆形油腔的理论计算  20-23
    2.2.2 工程算法与本文理论推导的不同  23
  2.3 本章小结  23-24
第3章液体静压支承理论分析  24-44
  3.1 流体力学的基本方程  24-27
    3.1.1 质量守恒方程  24
    3.1.2 动量守恒方程  24-25
    3.1.3 能量守恒方程  25-26
    3.1.4 雷诺方程  26-27
  3.2 静态时的理论方程  27-37
    3.2.1 忽略非线性项后的理论推导  27-30
    3.2.2 含非线性项的理论推导  30-32
    3.2.3 非线性项对速度、压力、承载力及刚度的影响  32-37
  3.3 动态载荷下的理论方程  37-42
  3.4 本章小结  42-44
第4章数值方法介绍及计算流体力学在静压支承中的应用  44-50
  4.1 数值方法的介绍  44-47
    4.1.1 有限元法(FEM)  45
    4.1.2 有限体积法(FVM)  45-47
  4.2 计算流体力学在静压支承系统中的应用  47-49
    4.2.1 计算流体力学概述  47-48
    4.2.2 计算流体力学在液体静压支承中的应用  48-49
  4.3 数值模拟在静压支承中的应用  49
  4.4 本章小结  49-50
第5章静态时液体静压支承数值分析以及与理论值的对比  50-60
  5.1 计算模型的建立  50-52
    5.1.1 几何模型的建立  50-51
    5.1.2 简化条件  51
    5.1.3 数学模型的建立  51-52
  5.2 数值模拟  52-58
    5.2.1 模拟参数的设置  52
    5.2.2 计算结果分析及与理论值的对比  52-58
  5.3 本章小结  58-60
第6章波动载荷下液体静压支承油腔的流固耦合  60-78
  6.1 流固耦合的原理  60-63
  6.2 数值模拟计算模型的建立  63-66
  6.3 计算结果分析及与静载荷下的结果对比  66-72
  6.4 不同频率波动载荷下的数值分析及与理论值的对比  72-76
  6.5 本章小结  76-78
结论  78-80
参考文献  80-84
攻读硕士学位期间所发表的学术论文  84-86
致谢  86

液体静压支承系统的动态性能研究

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