径向气体／液体轴承动力特性系数的统一求法

将滑动轴承的动力响应特性用刚度和阻尼系数（八个系数）来表示的方法在转子动力学中有相当广泛的应用．但是对于气体和液体轴承，以往对这八个系数的求法却不相同．本文绘出了一种统一的数学方法．通过与标准理论结果和常见实验数据的比较，证明该法是正确的．另外，还对在动压气体轴承稳定性分析中常见的准静态假设法进行了数值讨论，指出了它的局限性．

液体动静压球轴承轴心运动轨迹研究

为研究外载荷对轴承转子系统稳定性的影响,以小孔节流的液体动静压球轴承转子系统为研究对象,建立液体动静压球轴承转子系统动力学模型。通过求解轴承润滑数学模型获得非线性油膜力,分析转子所受到的外载荷,采用欧拉算法预测出轴心下一个时刻位移、速度和加速度,并分析转子系统质量、不平衡载荷和阶跃载荷对转子回转精度的影响。结果表明:随着转子系统质量的增加,所需平衡的油膜力增加,轴心振动幅度增加,从而导致转子回转精度降低;相对于不考虑不平衡载荷,考虑不平衡载荷后其振动形态为椭圆且振动幅值增大,减小不平衡值将减小振幅并提高旋转精度;随着阶跃载荷的增加,达到平衡所需的时间也增加。

考虑边界滑移状态的液体动静压球轴承稳定性分析

液体动静压球轴承稳定性分析包括探究其动态特性及临界转速,其刚度和阻尼系数对轴承转子系统稳定性具有重要影响,而研究临界转速可有效避免轴承转子系统发生涡动失稳。考虑边界滑移条件,将小孔节流器进入油腔流量与封油边流出流量相等作为边界条件,求解出边界滑移状态下的Reynolds方程得到油腔压力和封油边压力;对边界滑移状态下瞬态Reynolds方程采用小扰动法推导出扰动压力偏微分方程,结合有限差分法和松弛迭代法求解方程得到边界滑移状态下液体动静压球轴承的刚度和阻尼系数,进而通过线性稳定性方法求解临界失稳转速,探讨滑移系数、供油压力、转子转速之于轴承动态特性的影响及临界转速之于滑移系数的变化规律。结果表明,滑移系数增大会导致4个刚度系数和交叉阻尼系数减小、直接阻尼增大;供油压力增大将导致8个动态特性系数均增大,转速增大将导致刚度增大及阻尼减小,且滑移效应的发生不影响上述规律;临界转速随滑移系数的增大而减小,系统稳定性降低。

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3000 r/min~10000 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3000 r/min增大到10000 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=10000 r/min时,油膜的温升较大,且热量发生聚集,其最高温升可达39.5℃;主轴转速越高,液体静压轴承内热油携带对温升的影响越显著。该研究结论可以为温升影响下高速液体静压轴承的轴心轨迹与动态特性的研究提供理论基础。

主控型液体静压轴承转子系统的模型辨识

基于雷诺方程和流量守恒方程建立液体静压主轴转子系统模型,以主动单面薄膜节流阀为控制元件,对主轴的径向运动进行控制。采用频域辨识法对系统输入输出进行辨识,发现静压主轴转子系统在低频低电压范围下的系统特性更接近二阶系统,并通过公式计算出系统的传递函数,得到小扰动下的系统模型,设计模型预测控制(MPC)与PID控制器验证辨识模型的有效性,试验与仿真对比表明,该模型能较为精准地反映系统输入输出特性。

液体动静压球轴承的承载能力和温度场分析

液体动静压球轴承在中高转速或高转速下,因润滑油摩擦和剪切作用使油膜温度升高,进而导致轴承与转子受热变形,且该变形量与油膜厚度处于同一数量级,严重影响主轴的回转精度。因此,以小孔节流方式的液体动静压球轴承作为研究对象,建立流体润滑数学模型,推导出润滑油膜的Reynolds方程和能量方程,结合有限差分法和松弛迭代法计算了液体动静压球轴承的油膜压力分布和温度分布,并探究工作参数对承载能力和油膜温升的影响。结果表明,当转速越大、油膜厚度越小时,油膜剪切效应越强,温升也随之增大;当转速为3000 r/min、油膜厚度为28μm时,轴承最高温升相较1000 r/min时最高上升了18.65 K;当转速为3000 r/min、油膜厚度为20μm时,轴承最高温升相较油膜厚度为28μm时上升了27.685 K。

基于小孔节流的液体动静压球轴承动态特性分析

以小孔节流方式的液体动静压球轴承为研究对象,建立球轴承的润滑数学模型,推导出层流状态下的Reynolds方程,引入流量守恒原理并结合小孔节流器的流量计算得到油腔和封油边压力分布;采用微扰法推导出扰动压力控制方程,通过有限差分法和松弛迭代法求解扰动压力控制方程得到轴承的刚度和阻尼系数。运用数值分析研究供油压力、转速及油膜间隙等参数对轴承动态特性系数的影响。结果表明,随着油膜间隙减小,供油压力的增大,刚度和阻尼系数会随之增大;随着转速增大,直接刚度变化趋势较小,直接阻尼降低趋势较明显;当油膜间隙为20μm时,轴承刚度和阻尼系数达到最大;转速的提高对于刚度影响较小,而阻尼系数则会明显降低。

椭圆形液体润滑轴承承载特性的研究

对液体润滑轴承的承载原理进行了研究,同时利用CFD仿真技术,对椭圆形液体润滑轴承的承载机理、各项性能参数和圆形轴承做了对比分析。对于一些特殊的低速重载的油膜轴承使用工况,采用椭圆形液体润滑轴承能够提升承载能力,使油膜轴承有更高的安全系数。对于低速重载轴承,利用CFD仿真计算难点在于高偏心率油膜流体域的离散化,通过对油膜流体域的几何模型多次分割,攻克了高偏心率油膜流体域网格划分的技术难题,能够生成偏心率0.995以下的油膜流体域高质量网格,能够在流体仿真计算中得到很好的收敛。通过对椭圆形液体润滑轴承承载机理研究,可以用椭圆形液体润滑轴承在一些场合下替代圆形轴承,一些国外钢厂已经在低速重载工况下使用了椭圆形液体润滑轴承,提高轴承的承载能力和安全系数。

基于PM流量控制器的双锥液体静压轴承静动态特性分析

基于PM流量控制器的双锥轴承结构可在较小尺寸下同时承受轴向力和径向力,承载性能更大,且外置节流器的方式结构简单,易于调节性能,降低回转误差。设计了基于PM控制器的双锥轴承,建立轴承平均分布五油腔的静动态特性模型,分析了轴承设计与节流器主要参数对承载能力的影响规律。研究表明,轴承总刚度、承载力与锥半角呈递增关系,轴向刚度、承载力递增更显著,但径向变化不大;增大供油压力、减小初始液阻比,可提高油膜刚度与承载力;增加节流器的比流量与初始流量,减小供油压力,可缩短过渡时间,提高动态性能。根据设计指标匹配轴承和节流器的关键参数,可在同等条件下实现轴承性能优化。

数控转台液体静压轴承承载能力研究

分析了数控转台液体静压轴承的基本结构、工作原理、有效承载面积和液阻,推导了数控转台液体静压轴承在毛细管节流、PM流量控制节流、恒流量多头泵供油方式下的承载能力和刚度的计算公式。结合实例,定量分析等初始供油量、等平均刚度、变初始油膜间隙下,毛细管节流、PM流量控制节流、恒流量多头泵供油时,油膜间隙对轴承承载性能和刚度的影响,为液体静压转台设计和研究提供了依据。

PM流量控制器节流液体静压轴承静动态特性分析

将PM流量控制器用于无周向回油槽四腔向心静压轴承,建立了PM流量控制器静压轴承数学模型,重点研究分析了轴承结构参数及PM流量控制器参数对静压轴承特性的影响。研究结果表明:轴承轴流封油边系数越小、周流封油边系数越大,轴承油膜刚度和承载力越大,初始油膜间隙增大,油膜刚度减小;润滑油动力粘度较大且初始油膜间隙较小时,油膜刚度和承载力较大;液阻比越小,比流量越大,油膜刚度越大;供油压力越大,油膜刚度、承载力和流量越大。同时基于线性化下液体静压轴承系统的传递函数,利用Matlab Simulink软件在时域和频域内分别研究了静压轴承系统的动态特性。研究结果表明:在阶跃载荷作用下,随着供油压力和比流量的提高,过渡过程时间越短,静压轴承系统的动态特性越好;在正弦载荷作用下,提高供油压力、比流量都会使轴心偏移量的稳态幅值减小,油膜动刚度增大,且供油压力较比流量对系统频率特性的影响显著。

基于遗传算法的高速轧辊磨床磨头液体动静压轴承的优化设计

液体动静压轴承性能的好坏直接影响着整台磨床的磨削性能。针对一种可调节式的高速轧辊磨床磨头液体动静压轴承,分析了其结构特点和工作原理,并对其结构尺寸和工作参数进行了设计计算。在此基础上,以单位承载量下的总功率损失最小作为优化设计的目标函数,运用遗传算法对该轴承进行了优化设计。优化结果表明:优化后目标函数值从0.0808下降到0.0678,轴承的总功率损失由初始设计的766.9W降低为642.6W,功耗降低约16%,而且轴承的结构尺寸得到减小,其刚度亦得到明显的提高。由此可见,通过优化设计,不仅降低了轴承的制造成本,而且明显改善了轴承的综合性能。

液体动静压轴承的温度场与热变形仿真分析

在基于有限体积法的流体仿真软件FLEUNT中,对层流状态下的液体动静压油膜-轴承这一流固耦合模型进行了数值仿真,得出了动静压轴承的温度分布情况;并进一步在有限元软件ANSYS中对轴承的热变形情况进行了分析计算。结果表明:轴承的最高温升及径向最大热变形随主轴转速和偏心率的增大而迅速增大,随环境温度的升高而减小;而供油压力对轴承热变形的影响不大。且轴承径向最大热变形值和轴承间隙在同一数量级,因此热变形在动静压轴承性能分析中不可忽略。

基于CFX的液体静压轴承关键参数优化

为研制某曲轴随动磨床砂轮主轴系统,首先要对液体静压轴承进行设计。为此利用计算流体动力学软件CFX对液体静压轴承内部流场进行数值模拟,从油腔深度、小孔节流器孔径、轴承间隙3个关键性参数进行优化研究,通过分析油膜压力分布,求解最优参数。结果表明:通过分析对比液体静压轴承内部流场的数值模拟结果可以看出,最佳的油腔深度、小孔节流器孔径、轴承间隙对轴承承载能力起着非常重要的作用,也为后续研制该磨床液体静压轴承和对该类型的液体静压轴承的流体动力学分析提供参考。

液体静压轴承在金刚石框架锯上的应用研究

液体静压轴承具有结构紧凑、承载能力大、运行平稳、使用寿命长、摩擦功耗小等诸多优点,在各种机械中得到广泛应用。本文通过对金刚石框架锯主要锯切运动形式分析,以金刚石框架锯锯框水平滑动机构关键件——轴向运动液体静压轴承为研究对象,结合实际建立了该轴承的结构设计模型,通过润滑机理与性能的系统分析研究,实现了对设计方案的有效验证,并满足实用要求。同时根据轴承的性能冗余,对其进一步的结构优化设计进行了研究。

液体动压径向滑动轴承的概率多目标优化设计

运用可靠性设计理论和优化设计技术 ,提出了液体动压径向滑动轴承的概率优化设计方法 ;建立了其概率多目标优化设计的数学模型 ;求解该模型 ,可得到总体最优的设计方案 ,使轴承在满足承载能力及强度要求条件下 ,功耗和温升最低 ,体积减小。

液体滑动轴承在轧辊磨床上的应用

为促进国产高速轧辊磨床的开发,通过分析液体静压轴承、液体动压轴承和液体动静压轴承的特点,对3种液体滑动轴承在轧辊磨床上的应用进行了全面的介绍和探讨;通过对比3种液体滑动轴承在轧辊磨床上的应用特点,指出液体动静压轴承是开发高速轧辊磨床的关键所在,从而为我国开发高速轧辊磨床提供了决策依据。

稳健设计理论在液体动压滑动轴承中的应用

将稳健设计理论应用于液体动压滑动轴承 ,按照其基本原理建立了数学模型 ,得到了更符合要求的优化设计方案。

基于ANSYS-FLUENT的高精密液体静压径向轴承动静态特性研究

以液体静压轴承为支撑的电主轴是高精密数控机床的一个最为关键的组成部件。静压轴承润滑油膜的压力分布、刚度和温度场的分布直接影响数控机床的加工精度。基于液体静压技术理论,对轴承的流量、静压腔压力和刚度进行数值计算。基于ANSYS-FLUENT联合仿真平台,以液体静压径向轴承的润滑油膜为研究对象,对其压力场、流场和温度场分布等进行了静态和瞬态的研究,仿真结果与数值计算结果取得了很好的一致性。分析表明,静压腔内的润滑油的压力和温度分布不会因为主轴的转速变化而发生明显的变化,而周向封油边和轴向封油边是压力和温度变化的敏感位置。