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小孔节流静压主轴系统的设计分析与仿真

作　者: 徐红哲
导　师: 杨建玺
学　校: 河南科技大学
专　业: 机械制造及其自动化
关键词: 小孔节流静压轴承小孔直径有限元油膜压力流场分布
分类号: TH133.36
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
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内容摘要

氧气压缩机做为一种把机械能转换为氧气压力能的动力装置,在工业生产中应用的非常广泛,而其过大的功率消耗已成为大家关注的问题。在氧气压缩机总的功率消耗中占主要部分的是主轴的摩擦功耗,现有氧压机的主轴支撑主要使用剖分式的滑动轴承,由于主轴与滑动轴承的配合面基本处于混合摩擦或边界摩擦的工作状态,产生很大摩擦功耗,并且降低了轴承的使用寿命。而静压轴承凭借着它运动精度高、摩擦系数和驱动功率低、工作寿命长、良好的稳定性等特点,能够很好的解决此问题。本文通过对曲轴用剖分式静压轴承结构和节流方式的设计,对某大型氧气压缩机滑动轴承的改造进行研究。首先根据氧气压缩机的曲轴结构,确定了静压轴承的基本结构和各项设计参数,由于空间限制确定了独特的小孔节流方式,分析了小孔直径的变化对静压轴承的设计间隙、轴承刚度和摩擦功耗的影响。接着,在相同设计参数的基础上,计算比较了滑动轴承、滚动轴承和静压轴承三种轴承的摩擦功耗。然后,应用有限元软件ANSYS/CFX,建立了静压油膜的模型,在同等边界条件下基于有限体积法对油膜的流场进行仿真分析,通过改变轴承结构参数和工况参数,计算分析了油膜压力分布和流线速度分布。最后,进行实验分析,模拟静压轴承薄壁小孔,通过改变孔径和小孔长度,分析了孔径和长度对通过小孔流量的影响,使小孔节流的设计计算更加精确。根据分析结果,得出对于形如曲轴这样的复杂支承结构,采用小孔节流器形式,不仅在结构上易于实现,同时,只要设计得当,仍可获得润滑、刚度等良好的性能。计算分析节流器小孔直径与摩擦功耗以及支承刚度之间的关系,得到了最佳的小孔直径。不仅可以得到较高的支承刚度,而且摩擦功耗也较小。通过对滑动轴承、滚动轴承和静压轴承摩擦功耗的计算,得出了静压轴承是三种形式支承中摩擦功耗最小的结论,为静压轴承取代滑动轴承提供了重要依据。在同样边界条件及求解参数的情况下,直径小的油膜压力比直径大的油膜压力大,即小直径的小孔承载能力比大直径的小孔承载能力大。流量实验验证了,小孔节流形式轴承油腔的流量不仅与小孔直径有关,同时小孔的长度也对其有重要的影响。

全文目录

摘要  2-4
ABSTRACT  4-6
符号表  6-9
第1章绪论  9-15
  1.1 引言  9-10
  1.2 静压轴承的工作原理  10-11
  1.3 静压轴承的特点  11
  1.4 静压轴承的研究及应用现状  11-13
  1.5 选题意义  13-14
  1.6 本课题研究内容  14-15
第2章曲轴静压支承系统的设计  15-27
  2.1 概述  15
  2.2 静压轴承的分类  15-17
  2.3 曲轴轴承结构设计及基本参数  17-20
    2.3.1 节流比  17
    2.3.2 宽径比  17-18
    2.3.3 周向封油面宽度和轴向封油面宽度  18
    2.3.4 轴承设计间隙  18-19
    2.3.5 油腔数目和油腔深度  19-20
  2.4 曲轴用静压轴承节流方式的确定  20-21
  2.5 静压轴承供油系统的设计  21-25
    2.5.1 供油系统的组成  21-24
    2.5.2 系统元件的选择和设计  24-25
    2.5.3 供油系统各组成元件的作用  25
  2.6 小孔节流静压轴承实验台的设计  25-26
  2.7 本章小结  26-27
第3章曲轴静压轴承性能的理论分析  27-43
  3.1 液体静压支承流量、承载能力和油膜刚度计算  27-31
    3.1.1 静压轴承油腔的流量计算  27-29
    3.1.2 承载能力  29-30
    3.1.3 液体静压支承的油膜刚度计算  30-31
  3.2 小孔直径对曲轴用静压轴承各项参数的影响  31-37
  3.3 滑动轴承、静压轴承、滚动轴承摩擦功耗的比较分析  37-41
    3.3.1 滑动轴承的摩擦功耗  37-38
    3.3.2 滚动轴承的摩擦功耗  38-39
    3.3.3 静压轴承的摩擦功耗  39-41
    3.3.4 对比分析  41
  3.4 本章小结  41-43
第4章静压轴承油膜的有限元分析  43-61
  4.1 静压轴承油膜有限元模拟仿真软件的概述  43
  4.2 静压轴承仿真分析模型及边界条件  43-47
    4.2.1 流体材料模型  44
    4.2.2 几何模型  44-45
    4.2.3 网格划分  45-46
    4.2.4 边界条件的处理  46-47
  4.3 仿真参数  47-48
  4.4 静压轴承性能仿真结果分析  48-59
    4.4.1 静压轴承结构参数对静压轴承性能影响分析  48-53
    4.4.2 静压轴承工况参数对静压轴承性能影响分析  53-59
  4.5 本章小结  59-61
第5章静压轴承小孔流量的实验研究  61-69
  5.1 实验方案  61-63
    5.1.1 实验条件  61-62
    5.1.2 实验方案  62-63
  5.2 实验结果  63-64
  5.3 实验结果分析  64-68
    5.3.1 数据处理  64-66
    5.3.2 实验数据与理论值的对比分析  66-68
  5.4 本章小结  68-69
第6章结论  69-71
  6.1 研究结论  69-70
  6.2 进一步研究的问题  70-71
参考文献  71-74
致谢  74-75
攻读硕士学位期间的研究成果  75

小孔节流静压主轴系统的设计分析与仿真

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