液体动静压轴承动力特性及油膜稳定性分析.pdf

学校代号:10532 学号:S11021043 密级:公开湖南大学硕士学位论文液体动静压轴承动力特性与油膜稳定性分析学位申请人姓名: 林禄生导师姓名及职称: 韩旭教授刘桂萍助理教授培养单位: 机械与运载工程学院专业名称: 机械工程论文提交日期: 2014年5月20 日论文答辩日期: 2014年5月22 日答辩委员会主席: 龚金科教授 Analysisof Hybrid Bearing’s Dynamic Characteristics and Oil Film Stablity by LINLusheng .(Changsha University of Science & Technology)2011 A thesis submitted in partial satisfaction of the Requirements for the degree of Master of Engineering in Mechanical Engineering in the Graduate School of Hunan University Supervisor Professor HanXu Assistant ProfessorLiu Guiping May,2014 液体动静压轴承动力特性与油膜稳定性分析 II 摘要液体动静压轴承以其高回转精度、高动态刚度、高阻尼减振性和长寿命等性能优势,在高速精密磨削机床领域获得广泛应用。随着电主轴转速的进一步提高, 电主轴系统出现刮瓦、抱轴等现象时有发生。同时,电主轴系统在高速工作状态下,还会发生动静压轴承的一种特有故障-油膜振荡问题,易导致油膜失稳。高速电主轴系统振动和稳定性分析关键就在于液体动静压轴承动力特性计算。本文在总结了前人大量的研究工作的基础上,研究了基于CFD的高效液体动静压轴承动力特性与油膜稳定性分析方法。本文工作主要内容包括: 首先,本文建立了液体动静压轴承的CFD计算模型,并确定了求解模型的计算条件;此外,还建立基于动网格的有限体积法控制方程,实现了对计算域改变引起的非定常流动的求解;并研究了嵌入UDF的动网格更新方法以更新瞬态计算中动静压轴承油膜网格,从而解决了因轴颈运动导致的网格扭曲变形问题。其次,本文采用基于动网格模型的刚度阻尼计算方法对液体动静压轴承的动力特性系数进行了计算及分析。通过编写的自定义程序来定义轴颈位置变动的运动参量,并基于动网格模型实现轴颈位置变动过程中油膜网格更新,通过求解N-S 方程得到轴颈位置变动前后的瞬态油膜力,然后结合差分计算模型,求得动静压轴承油膜动力特性系数。接着,通过对比扰动位移和扰动速度对瞬态油膜力的影响,来界定计算油膜动力特性系数时扰动位移和速度的合理取值范围,并对比分析了转速与供油压力对液体动静压轴承动力特性系数的影响。最后,提出了基于动网格技术的流固耦合计算方法计算动静压轴承非线性轴心轨迹,根据轴心轨迹信息评判油膜稳定性。该方法首先建立动静压轴承轴心轨迹的运动方程,然后采用动网格技术对动静压轴承流场进行非线性瞬态计算,得到动态载荷作用下的非线性轴心轨迹。最后,通过对某复杂转子-轴承系统非线性动力学特性的分析对本文方法进行了验证。结果表明,本文方法能够准确分析复杂转子-轴承系统非线性动力学特性并可求得其轴心轨迹。此外,对比研究了不同转速和供油压力下的轴心轨迹,根据轴心轨迹的静平衡位置、振动幅值、频谱特征分析油膜稳定性,接着分析了转速和供油压力对油膜稳定性的影响。关键词:动静压轴承;CFD;动网格;油膜稳定性;流固耦合;轴心轨迹硕士学位论文 III Abstract Hybrid bearing is widely used in the field of high-speed grinding machine because of its high accuracy, high dynamic stiffness, high damping performance and long life. However, with further increase of spindle speed, high-speed spindle system instability occurs due to scraping, axle and other phenomena, thus result in system failure. Meanwhile, when the system working in the condition of high speed, a kind of unique hybrid bearing