轴颈形状误差对液体静压主轴回转精度的影响

液体静压主轴是精密、超精密机床的核心功能部件,已在工程领域广泛应用,但轴颈形状误差作为静压主轴形成回转误差的主要因素,其对回转误差的定量影响规律并不明确。通过分析和简化主轴轴颈的形状误差特征,运用CFD动网格技术定量计算了形状误差作用下主轴在轴承油膜中的平衡位置,模拟了主轴旋转时轴颈形状误差凹、凸部位依次通过最小油膜厚度位置的轴心轨迹,发现了轴颈圆度误差使主轴形成回转误差,其大小与轴颈圆度频次和幅值有关,揭示出轴颈圆度误差对液体静压主轴回转精度的作用机制。通过对比理论计算和试验测试轴颈圆度误差作用下的回转精度,理论计算值约为试验测试值的75.2%。理论计算结果和所提出的研究方法具有重要的理论意义和工程参考价值。     

可控节流液体静压主轴回转精度提升的机理研究

可控节流技术可以显著提高液体静压主轴的刚度和回转精度,在工程上已得到实验证实,但是液体静压主轴在可控节流条件下是如何提高回转精度的过渡过程一直不明确。利用现有的液体静压主轴理论,还不能定量解释可控节流静压主轴从不平衡状态到平衡状态、以及稳态回转误差显著缩小的过渡过程。在考虑轴颈惯性力和非线性油膜力的基础上,根据可控节流器的工作原理和节流特性,建立了可控节流液体静压主轴动态轴心轨迹的理论模型,利用该模型进行数值模拟对过渡过程中的一系列物理现象做出了合理的定量解释。研究发现,在轴承结构参数和液压系统参数相同的条件下,可控节流主轴相比于固定节流可以显著缩短轴心轨迹的过渡过程响应时间、减小轴颈偏心位移、降低主轴稳态回转误差,从理论上揭示了可控节流器可以提高液体静压主轴油膜刚度和回转精度的物理机理。     

基于动网格模型的液体动静压轴承刚度阻尼计算方法

针对雷诺方程不能反映高速油流周向惯性效应、轴颈周向动压效应和静压扩散效应之间的非线性耦合关系及其对三维流场特性的影响,进而导致动静压轴承刚度阻尼的计算精度难以满足高转速精密轴承设计需要之现状,提出基于纳维-斯托克斯方程的动网格计算轴承刚度阻尼新方法。该方法采用自定义程序实现轴颈的旋转速度、位移扰动和速度扰动以及扰动过程中油膜力的计算等功能,成功将轴颈的旋转动边界转换为静边界,有效避免因轴颈旋转引起的网格畸变,并利用弹簧光顺模型更新轴颈受速度扰动和位移扰动引起的油膜网格挤压变形。通过对比研究瞬态和稳态条件下油膜力的变化,界定计算刚度阻尼系数时速度扰动和位移扰动的合理取值范围。利用所提出的方法计算典型轴承的刚度阻尼系数,再现动静压轴承油膜厚度和三维流场压力分布的动态发展过程,并采用影响系数法对该轴承的刚度系数进行试验测试。通过对比试验数据和动网格计算结果发现两者基本吻合,表明所提出的计算方法是有效可行的。     

液体静压主轴的回转精度规律及其极限预测

液体静压主轴是精密、超精密机床的核心功能部件,对机床的加工效率、加工精度和加工表面质量具有直接而重要的影响.回转精度是液体静压主轴的关键性能,目前学术界和工程界对回转精度的各种评价指标之间的内在联系尚缺乏统一认识,对回转精度的机理和形成规律尚缺乏深入研究.系统分析了回转精度各种评价指标和测试方法之间的内在联系,明确了不同误差成分的来源和成因;针对现有回转精度评价方法的局限性,提出了"最小峰峰值+同步误差+异步误差"的综合评价方法.系统比较了不同节流方式对液体静压轴承刚度的影响规律,提出了采用可控节流实现高回转精度的方法.建立了可控节流液体静压主轴的流固热耦合模型,实现了轴心运动轨迹形成过渡过程的精确定量仿真,揭示了供油压力、供油压力波动、动不平衡量和轴颈圆度误差对回转精度的影响规律.最后对液体静压主轴可能达到的回转精度极限进行了预测.     

基于高效深切磨床轴承主轴系统的有限元分析

针对实验室研制的高效深切磨床动静压轴承主轴系统,首先利用计算流体力学软件CFX,对动静压轴承的油膜进行稳态分析,得到油膜上的压力分布。通过在不同的小位移和速度扰动的情况下轴承油膜承载力的变化规律,依此来确定轴承油膜的刚度和阻尼系数。在ANSYS中,采用Ma-trix27单元来模拟动静压轴承油膜的刚度和阻尼作用,并对主轴进行模态分析。结果表明,在微小的位移扰动和速度扰动的情况下,油膜的弹性力和阻尼力近似为线性的,主轴模态有限元计算结果与实测结果基本一致,证明了该分析方法的正确性。     

液体动静压混合轴承

液体动静压混合轴承是一种既综合了液体动压轴承和液体静压轴承的优点,同时又克服了两者缺点的新型多油楔油膜滑动轴承。由于利用小孔和浅腔二次节流形成的静压承载力将主轴悬浮在高压油膜中间,从而提高了主轴刚度和抗过载能力;同时由于高压油膜本身具有很好的均化作用,使主轴获得了很高的回转精度。主要技术指标:主轴端部锥面径向跳动<0.001mm;主轴轴     

液体动静压球形轴承动态特性分析

分析了轴承参数对球形液体轴承的动态特性的影响规律,为液体球轴承的动态刚度、阻尼以及稳定性提供理论指导。以液体动静压球轴承为研究对象,建立液体球轴承的润滑分析数学模型,采用小扰动法推导出层流状态下动态液体润滑方程,采用有限差分法求解扰动压力偏微分方程,数值计算液体球轴承的刚度系数和阻尼系数,通过数值分析研究轴承的转速、偏心率、平均油膜间隙等参数对轴承的动态特性系数的影响规律。结果表明：转速、偏心率以及平均油膜间隙对油膜的刚度和阻尼有着重要的影响。     

精密磨床主轴轴颈形状误差对动静压轴承性能的影响

考虑主轴轴颈制造中的圆度误差和圆柱度误差,应用FLUENT软件,对精密数控磨床砂轮主轴深浅油腔动静压轴承的性能进行了分析。结果表明:主轴轴颈圆度误差和圆柱度误差的种类对动静压轴承性能的影响各不相同,随着轴承间隙的变化而变化。动静压轴承承载能力、功耗以及油膜最高温升等性能参数都会随着主轴轴颈误差幅值的增加而增加;但动静压轴承流量的变化趋势却相反。要提高磨削加工精度,必须考虑精密数控磨床主轴轴颈的形状误差的影响。     

高效精密动静压主轴热动力学耦合特性分析

针对采用液体动静压轴承支承的高效精密磨床砂轮主轴工作状况,在砂轮主轴静动态特性分析中,考虑了轴承油膜温升的影响。建立了轴承-油膜流固耦合模型,得到随主轴转速和供油压力的变化而改变的轴承油膜温升和动态轴承支承刚度,然后对主轴系统分别进行静态和动态分析,得到轴承油膜温升影响下的主轴静挠度、动挠度和主轴系统的固有频率。结果表明,对于高效精密磨床,轴承油膜的热特性对砂轮主轴系统的静挠度和动挠度具有显著的影响。     

液体动静压轴承油膜的压力场和温度场分析

针对深浅腔液体动静压轴承的承载特性等问题,对液体动静压轴承的油膜压力场和温度场进行了仿真分析。以超高速磨削电主轴系统中常用的深浅腔液体动静压轴承为研究对象,建立了液体动静压轴承油膜的三维有限元模型,对油膜进行了网格划分,并对划分后的网格进行了质量评定;采用动网格技术实现了对油膜偏心率的变更,在不同主轴转速、偏心率的工作条件下,计算了深浅腔动静压轴承油膜压力和温度的分布情况,分析了其油膜压力分布和温度分布的变化规律;研究了转速、偏心率对动静压轴承的承载力和油膜温升的影响规律。研究结果表明:在深浅腔液体动静压轴承运转过程中,随着转速和偏心率的提高,油膜承载力和温升也随之提高,且转速对油膜温升的影响要比偏心率大。     

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。     

精密离心机结构安装误差对主轴回转精度的影响

针对精密离心机的精度控制,建立了精密离心机结构安装误差对静压气体轴承主轴回转精度影响的定量计算模型,运用该模型开展了多方面结构安装误差参量对主轴回转精度影响规律的研究。研究表明主轴回转误差随转盘与静压气体轴承轴线间偏心量、静压气体轴承轴线铅垂度安装误差和转盘与静压气体轴承轴线安装垂直度误差的增加而增大,其中偏心量和垂直度误差对主轴回转误差的影响较大,铅垂度误差对主轴回转误差的影响较小。研究可为精密离心机的设计提供帮助。     

可控节流参数对液体静压轴承特性的影响研究

节流器是液体静压主轴的核心元件,其节流特性对液体静压主轴的刚度和回转精度具有直接影响。针对现有节流器在主轴工作时节流特性不可控的不足,提出一款预压预调型可控节流器。在分析可控节流器工作原理和节流特性基础上,根据流体润滑理论,建立基于可控节流器的液体静压轴承承载性能的理论模型,研究可控节流器供油压力、弹簧刚度和控制油腔压力等参数对液体静压轴承承载性能的影响规律,并与固定节流液体静压轴承的承载性能进行对比。研究发现,在其他结构参数及工作参数一定的条件下,可控节流器能够显著地提高液体静压轴承的油膜刚度;在不同偏心率条件下,可控节流液体静压轴承的最佳油膜刚度对应的节流参数不同。在开发的液体静压电主轴试验台上进行了试验研究,通过对油腔压力和油膜刚度的理论计算值与试验测量值的对比,证实了可控节流方案的有效性。     

浅谈液体动静压轴承

液体动静压轴承是在液体动压轴承和液体静压轴承的基础上发展起来的新型油膜轴承。在动压轴承的基础上,于适当的位置开设适当数量和大小的静压腔,这些静压腔都配备适当的静压供油系统,同时又配备一套动压供油系统,从而形成液体动静压轴承。 液体动静压轴承的出现,是随着机械工业的发展,为适应更高转速、更高承载力、更高油膜刚度的要求而出现的新型油膜轴承。液体动静压     

高速精密轧辊磨床动静压轴承的流固耦合分析

通过Gambit软件对高速精密轧辊磨床主轴系统的液体动静压轴承润滑油膜进行网格划分,利用FLUENT软件进行油膜应力场分析。结果表明:该轴承的最大油膜应力出现在过油槽和进油口,其余部位油膜越薄,应力越大。采用流固耦合分析方法,在Workbench中将FLUENT中的油膜应力数据映射到轴瓦内表面,对动静压轴承装配体进行结构静力学分析,结果表明该轴承能满足工作要求。     

磨床用液体静压轴承径向承载特性分析

以磨床用液体静压轴承为例,利用计算流体动力学软件CFX,对动静压轴承的油膜进行稳态分析,得到油膜上的压力场分布,通过流固耦合技术把油膜压力添加到磨床主轴,对静压轴承进行结构静力分析,得到了轴承的径向承载力随偏心距的分布,通过换算求导得到油膜的刚度随着偏心率的分布。研究结果为静压轴承及磨床的转子动力学及静压轴承的优化提供理论依据。     

液体静压主轴油膜滑移现象的分析及试验研究

针对液体静压主轴运动过程中动态特性问题,研究微尺度下油膜滑移对轴承承载力,刚度及动态刚度的影响。把微尺度下发生的速度滑移引入到油膜性能方程中,结合液体静压主轴系统平衡方程推导出了主轴系统承载力、刚度及动态刚度表达式,研究了油膜初期主轴静动态性能及油膜动刚度特性。从仿真结果中得到油膜滑移的发生使得承载力及刚度增大,最大刚度对应油膜厚度减小。最后刚度检测试验间接得出了实际主轴系统油膜流动过程中,存在油膜微滑移现象。本项研究为液体静压主轴微尺度下油膜滑移现象及性能的研究探索了一条新途径。     

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。     

液体动静压电主轴关键技术综述

液体动静压主轴以其高回转精度、高动态刚度、高阻尼减振性和长寿命等性能优势,在高速精密机床领域获得广泛应用,但进一步适应超高速超精密加工需要,发展成为将机床主轴与高速电动机功能从结构上融为一体的液体动静压电主轴,还需解决高速化和结构集成化带来的轴承温升控制和电机性能优化等技术难题,需进一步从机理层面研究轴承特性和电动机高频电磁损耗等科学问题。因此有必要对现有研究成果进行系统分析和深入总结。回顾液体动静压机床主轴轴承技术的发展历史;从轴承油腔结构、节流器、轴颈偏斜、轴瓦弹性变形、轴承副表面形貌、液体惯性效应、热效应、润滑介质可压缩性及非牛顿特性、水润滑动静压轴承等方面,对影响液体动静压电主轴轴承特性的关键技术进行逐一分析和评述;从高速电主轴对电动机几何特性、转速—力矩特性、热特性、振动及噪声特性的要求等角度,全面评述电动机性能的电磁参数设计方法、电磁损耗机理及计算方法和电磁损伤故障防治技术;具体分析动静压电主轴整机特性优化中的关键技术难题;对液体动静压电主轴技术的未来发展趋势进行预测和展望。     

一种滑动轴承油膜性能计算的动网格方法

针对应用动网格方法计算油膜轴承性能时出现网格扭曲而导致累计误差过大的现象,提出了一种基于计算流体动力学(CFD)的滑动轴承油膜性能计算的动网格更新方法。该方法保证了网格更新过程中膜厚方向的网格线沿圆周方向上等均分布,且始终垂直于轴颈表面,网格不发生扭曲变形,减小了计算累计误差,提高了轴承性能计算的准确性。通过与典型算例和实验结果对比,验证了所提方法在轴承的油膜力和转子静平衡位置计算中的有效性、可行性和稳定性,并利用该方法分析了进油压力和载荷对油膜轴承所支撑转子静平衡位置的影响。该方法可为准确计算油膜轴承转子系统的性能提供参考。