基于流固耦合的重型静压推力轴承变刚度支承的油膜承载特性研究

作     者：刘飞霖 

作者单位：哈尔滨理工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：杨晓冬;张文广

授予年度：2023年

学科分类：08[工学] 080203[工学-机械设计及理论] 0802[工学-机械工程] 080201[工学-机械制造及其自动化] 

主      题：静压推力轴承 流固耦合 变刚度支承 承载特性 

摘      要：在重型数控装备中,静压推力轴承作为核心回转部件,其性能的好坏对维持机床稳定运行起着至关重要的作用。静压推力轴承在工作时,油膜的温度场和压力场会发生一定的改变。在温度和压力的共同作用下,轴承的固体域会发生一定的变形,最终导致油膜形貌发生改变,极端工况下甚至会出现摩擦失效现象。因此,探究轴承在运行过程中油膜和固体域的变形规律,以及油膜变形后对轴承承载特性的影响具有一定的现实意义。本研究以Q1-205型静压推力轴承为研究对象,探究在0t和8t载荷下,不同转速对油膜承载特性、油膜形貌以及固体域变形的影响规律。研究内容如下:基于静压支承原理、计算流体力学理论、传热学和弹塑性理论推导了静压推力轴承系统的数学模型,并建立变刚度弹簧刚度与油膜刚度之间的非线性联系;根据轴承实际尺寸创建轴承系统的三维模型,在CFX中进行流体仿真分析,得到轴承整体温度场、油膜压力场以及空气流场;将共轭传热得到的轴承温度场作为初始条件导入Static Structural模块,在工作台与油垫之间建立变刚度弹簧连接进行热力耦合分析,得到轴承变形场;提取出结构变形后的网格再次进行流固耦合分析,通过多次迭代的方式模拟轴承形貌变化过程,直至监测数据变化量达到仿真收敛的阀值时终止分析,得到轴承最终稳定运行时油膜的温度场、压力场,空气流场,以及油膜和固体域结构。本课题通过多次迭代的单向流固耦合方法模拟轴承运行过程中的动态变化过程,获取各阶段油膜、固体域的变形结果以及相应阶段油膜的润滑特性,并总结规律。研究发现,随着转速的升高,油膜温度也会随之升高;油膜平均压力会呈现先升高后降低的趋势,但是最高压力在一直升高;轴承整体呈现沿径向向外且斜向上的变形趋势,变形后承载油膜径向呈现内薄外厚的楔形。通过总结规律,可为静压推力轴承改进设计、提高稳定性提供理论依据。