加工中心电主轴用动静压滑动轴承润滑性能优化设计研究

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现代化工业的崛起给机械制造行业带来了巨大的发展与挑战,各国制造业纷纷对机械制造设备的生产效率与制造范围有了更高的需求。电主轴在旋转机械设备的零部件中一直都是占据着核心地位,而动静压滑动轴承作为电主轴的关键零部件,直接影响了电主轴的稳定性与可靠性。因此本课题以电主轴中的动静压滑动轴承为研究对象,使用CFD数值模拟与实验相结合的方法,以提升电主轴的稳定性与可靠性为目标,对动静压滑动轴承的润滑性能进行深入的研究,为优化动静压滑动轴承的润滑性能提供理论指导。主要研究内容和结论如下:(1)动静压滑动轴承有限元模型建立基于CFD基本分析理论与动压润滑理论建立Fluent数值模拟模型,考虑润滑油的粘温效应,确定了网格划分方式、边界条件与计算方法,并通过与文献的实验结果进行对比验证,证明了Fluent数值模拟的可靠性与准确性。(2)油腔形状对动静压滑动轴承承载力与温度的影响研究矩形油腔下动静压滑动轴承的润滑性能,获得油膜承载力和温度随转速、供油压力的变化规律。对矩形油腔下动静压滑动轴承进行优化,基于径向投影面积相同的条件下,提出将矩形油腔优化为梯形油腔的优化方案。研究结果发现在轴承转速一定的条件下,梯形油腔比矩形油腔的油膜承载力提升了8%左右,油膜温度峰值降低了5%左右。针对梯形油腔轴承反转时油膜温度峰值过高的问题,提出六边形油腔。研究结果发现六边形油腔可以有效地解决梯形油腔轴承反转时油膜温度峰值过高的问题。(3)表面织构对动静压滑动轴承承载力与摩擦磨损的影响研究表面微凹坑织构技术对油膜承载力的影响,研究结果发现表面微凹坑织构可以有效提高油膜承载力,且将其布置在油膜收敛区出口时对油膜承载力的提升效果最好。分析圆形、菱形和椭圆形表面微凹坑织发现,当椭圆形表面微凹坑织构的长轴与轴承旋转方向垂直时(90°布置),对油膜承载力的提升效果最好,比无表面微凹坑织构油膜承载力提升了16.21%左右。并通过摩擦磨损实验,验证了数值模拟的准确性。将椭圆形表面微凹坑织构与六边形油腔结构进行复合,并将复合结构设计在动静压滑动轴承上,研究复合结构下油膜承载力与温度的表现。研究结果发现油膜承载力提升了17.45%左右,油膜温度峰值降低了4.78%左右。通过以上优化,达到提升电主轴稳定性与可靠性的目的。
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