正弦载荷下静压支承油膜的数值研究

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液体静压支承技术具有精度高、寿命长、承载力大等优点,在机械与仪器制造等领域,尤其是在数控机床中得到广泛应用。液体静压支承技术的主要性能指标是油膜承载力和刚度,油膜必须具备足够的承载能力以支承外载荷,同时要具有足够的刚度以抵抗外载荷的变化。这两个性能指标主要决定于油膜厚度,因此确保油膜厚度始终处于最优的范围是保证静压支承工作性能的关键。为了保证在不同载荷条件下,液体静压支承系统具有良好的运动精度和稳定性,必须对油膜进行有效地控制。对于液体静压支承系统动力学的研究主要集中在油膜的分析与计算方面,包括油膜承载力、支承刚度、稳定性的计算与定量分析,以及各种工况下的实验。   本文根据液体静压支承系统的实际工作环境,利用多物理场数值模拟软件CFD-ACE+,对正弦波动载荷作用下的油膜进行动态仿真,并对油膜的动态性能展开研究与分析。   首先,建立了液体静压支承转台的三维模型以及油膜的二维数值简化模型,并对空载状态进行稳态仿真,计算得到油膜在只有被支承件重力作用下的稳定状态,作为之后外加正弦载荷情况的初始状态。   然后,对油膜受到正弦载荷的情况进行瞬态数值仿真,分析油膜动态特性。通过改变输入条件,进行不同供油速度与不同载荷频率下的多次仿真,研究供油速度与载荷频率对液体静压支承的油膜厚度、承载力以及刚度的影响规律,并得出理论公式无法表达的油膜特性。分析了在正弦载荷作用下,油膜厚度及承载力变化的滞后现象,以及载荷作用初期的过渡过程。   最后,根据仿真得到的油膜在正弦载荷作用下的频率特性,提出液体静压支承在设计与使用过程中必须注意的问题,包括油膜厚度及油腔压力的控制,波动载荷频率的选择等,并提出合理化建议,为液体静压支承系统的优化设计与安全运行提供可靠的依据。  
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