液体静压转台油腔流动特性和承载力的研究

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近年来我国在航空航天、船舶、工程机械和武器制造等工业领域发展快速,对于加工高精度或超高精度零部件的数控机床性能提出了更高要求。重载、高速、精密、稳定与自动化成为未来高性能数控机床的研制方向。液体静压转台作为高性能数控机床的承重台和工作台,具有高承载力、高精度、摩擦阻力小、使用寿命长、抗震性能好等特点,在超精密机床和仪器行业获得了广泛应用。研究液体静压转台承载性能对数控机床的技术进步具有重要意义。本文采用实验方法、数值方法和理论方法研究了多种因素影响下液体静压转台油腔内流体流动特性,从多角度分析了不同因素对液体静压转台油腔的稳定性和承载力的影响规律。(1)基于实验方法研究流体为水时静压油腔流场结构,并与数值结果相对比,分析油腔承载性能的变化。实验结果表明:入口雷诺数的增大不改变油腔中涡的数量,涡的位置随着入口雷诺数的增大向封油边移动。分析由实验数据拟合得到的入口雷诺数与油腔流场涡心位置的变化曲线,随着入口雷诺数的增大涡心的移动呈减缓趋势。实验流场的涡量图显示油腔内局部流场结构较复杂。数值分析油腔上壁面压强分布与剪应力分布,可知油腔上壁面压强值除入口喷射峰值区外均一致,入口喷射区边缘剪应力最大且发生润滑油滑移失效的可能性最大。(2)数值研究了多种因素对静压油腔流场结构和承载性能的影响。分析了油腔中流场结构、速度分布和壁面压强分布在润滑油粘度、入口流量、封油边间隙、壁面转动速度和边界滑移等因素的影响。结果表明:润滑油粘度和封油边间隙的变化对油腔稳定性影响较小,入口流量增大和壁面转动对油腔稳定性的不利影响较大;增大润滑油粘度和入口流量可以提高油腔承载力,增大封油边间隙和壁面转动速度会降低油腔承载力;壁面滑移对油腔流场结构和承载力的影响可以忽略不计。(3)理论研究了适用于上壁面转动时油腔内流体润滑的雷诺方程,分析了封油边处压强变化。基于上壁面转动的静压转台油腔雷诺方程与描述轴承润滑的雷诺方程表达式的不同,说明转台油腔与轴承的流动不同。分析了在Matlab中求解的封油边处压强分布,表明压强沿半径呈递减趋势,与数值模拟结果吻合较好。
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