高精密车床主轴动静压轴承静动态特性研究

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动静压轴承在高精密数控机床主轴系统中有重要应用,其性能直接影响着机床最终的加工精度。设计合理的轴承结构参数、并且选择合适的轴承运行参数,对优化轴承特性和提高主轴运行性能具有重要意义。本文以某高精密车床主轴对称阶梯腔动静压轴承为研究对象,对其性能及其影响因素展开深入研究。首先基于积分差分法建立了动静压轴承理论分析模型,求解对称阶梯动静压轴承的无量纲油膜压力,研究轴承的静态特性;再采用计算流体力学仿真方法,研究轴承运行参数对轴承特性的影响;然后对非定常雷诺方程求解,采用差分法计算得到轴承的动特性系数;最终对轴承-主轴系统的动态特性和热特性进行分析。论文的主要内容如下:(1)在查阅国内外相关文献的基础上,综述液体滑动轴承结构、轴承特性的最新研究进展和主轴系统动态特性和热特性研究现状,确定课题的研究内容和研究方法。(2)通过积分差分法离散二维定常雷诺方程,建立适用于求解浅腔滑动轴承压力的数学模型;考虑深油腔流量平衡方程,得到深油腔边界条件,获得适用于求解深浅腔动静压轴承压力的数学模型。(3)基于深浅腔动静压轴承理论分析模型,研究新型对称阶梯腔动静压轴承油膜特性分析模型的建立方法。然后求解轴承的正反转时无量纲压力分布、流量、承载力、偏位角等特性参数,研究轴承结构参数对其承载性能的影响,对比分析对称阶梯腔轴承与单侧阶梯腔轴承油膜特性。(4)应用计算流体力学仿真的方法,以轴承油膜作为计算域进行求解,计算对称阶梯腔轴承的油膜压力、油膜温升和承载力等特性。分析轴承转速、供油压力等对轴承承载性能的影响。(5)基于非定常二维雷诺方程,采用差分法计算轴承的轴承刚度、阻尼系数。在有限元软件中对主轴进行动力学仿真分析,求解主轴的模态、临界转速和不平衡响应等。(6)采用有限元软件对车床主轴进行热特性分析,将CFD计算得到的轴承油膜热量作用在主轴系统上,求解主轴箱、主轴的稳态温升云图和结构变形。与实验数据进行对比,验证仿真分析的可行性。本文以高精密数控车床主轴动静压轴承为研究对象,研究了对称阶梯腔轴承承载特性模型的建立方法,研究了不同结构参数和运行参数对轴承静动态特性的影响;并研究了轴承动特性参数对主轴系统动特性的影响,及轴承温升对主轴系统热特性影响规律。研究成果对动静压轴承设计提供了参考,对提高机床主轴运行精度和运行稳定性有一定指导意义。
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