本發(fā)明屬于重載靜壓轉(zhuǎn)臺(tái)溫度影響分析領(lǐng)域，涉及重型靜壓轉(zhuǎn)臺(tái)中單個(gè)油墊的溫度場(chǎng)數(shù)學(xué)模型的建立以及數(shù)值方法的求解。技術(shù)背景液體靜壓轉(zhuǎn)臺(tái)是采用液體靜壓軸承作為支承，將轉(zhuǎn)臺(tái)主軸功能與電動(dòng)機(jī)功能從結(jié)構(gòu)上融為一體的功能部件，主要功能是支撐并帶動(dòng)工件實(shí)現(xiàn)精密超精密旋轉(zhuǎn)和精密加工。由于運(yùn)動(dòng)副之間完全被油膜隔開，所以運(yùn)動(dòng)副間的摩擦力大大減小，同時(shí)其承載能力、運(yùn)動(dòng)精度與壽命卻大大提高。正因?yàn)橐后w靜壓支承的諸多優(yōu)點(diǎn)，所以其在機(jī)床，航空航天，船舶，能源等行業(yè)得到了廣泛的應(yīng)用。靜壓轉(zhuǎn)臺(tái)相比與傳統(tǒng)轉(zhuǎn)臺(tái)來(lái)說(shuō)有許多優(yōu)勢(shì)，最顯著的特點(diǎn)是可以在很高的轉(zhuǎn)速和較低的溫度下保持高的可靠性，并且降低對(duì)形位公差的要求。油腔中油膜工作性能的優(yōu)劣直接影響到整個(gè)機(jī)床運(yùn)行的可靠性、壽命和經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。隨著技術(shù)的進(jìn)步，發(fā)熱問題逐漸成為制約其性能和精度提升的關(guān)鍵因素。國(guó)內(nèi)外學(xué)者在液體靜壓軸承熱態(tài)性能研究方面做了很多工作，對(duì)靜壓軸承的溫度分布研究的比較深入，對(duì)于靜壓轉(zhuǎn)臺(tái)的研究主要集中在利用Fluent等軟件仿真得到靜壓轉(zhuǎn)臺(tái)的溫度分布情況，并沒有完善的理論指導(dǎo)依據(jù)。綜上所述，建立一種能夠分析靜壓轉(zhuǎn)臺(tái)溫度變化規(guī)律的數(shù)值計(jì)算方法非常重要。技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：本發(fā)明的目的是提供一種油墊的溫度分布和承載性能隨轉(zhuǎn)速的變化規(guī)律的數(shù)值方法。該方法首先從雷諾方程和能量方程出發(fā)忽略液體流動(dòng)時(shí)的動(dòng)能和勢(shì)能的變化，利用有限差分法求解方程，建立不同轉(zhuǎn)速下油墊的溫度分布曲線，分析油墊的溫度分布和承載性能隨轉(zhuǎn)速的變化規(guī)律。本發(fā)明是采用以下技術(shù)手段實(shí)現(xiàn)的：(1)忽略靜壓轉(zhuǎn)臺(tái)自身的變形，定義靜壓轉(zhuǎn)臺(tái)為剛體，同時(shí)認(rèn)為在沿潤(rùn)滑膜厚度方向不計(jì)壓力變化，在沿潤(rùn)滑膜厚度方向粘度數(shù)值不變。建立基于雷諾方程的單油墊理論模型。(2)對(duì)于液體潤(rùn)滑，忽略液體流動(dòng)時(shí)的動(dòng)能和勢(shì)能變化，這樣，液體的能量變化僅是溫度的函數(shù)。若流動(dòng)處于穩(wěn)定狀態(tài)，那么所有的變量不隨時(shí)間變化。建立考慮溫度和離心力的能量方程。(3)用有限差分法對(duì)雷諾方程和能量方程聯(lián)立求解，最后積分計(jì)算油墊的承載力。之后改變靜壓轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)速得到不同轉(zhuǎn)速下的油墊壓力分布，溫度分布和承載力。為了對(duì)比引入溫粘關(guān)系對(duì)承載力的影響，分別計(jì)算考慮溫升的承載力和不考慮溫升的承載力。本方法通過聯(lián)立雷諾方程和能量方程，建立了極坐標(biāo)下考慮離心力的溫度場(chǎng)數(shù)學(xué)模型。利用有限差分法求解出油膜溫度場(chǎng)的分布，給出了溫升隨轉(zhuǎn)速的變化規(guī)律。模型中考慮了轉(zhuǎn)臺(tái)溫度廠的分布情況，也考慮了離心力的影響。本方法包括三部分，第一部分忽略液體流動(dòng)時(shí)的動(dòng)能和勢(shì)能的變化聯(lián)立雷諾方程和能量方程，第二部分利用有限差分法求解方程，建立不同轉(zhuǎn)速下油墊的溫度分布曲線，第三部分分析油墊的溫度分布和承載性能隨轉(zhuǎn)速的變化規(guī)律。最后通過實(shí)例論證本發(fā)明提出的模型。通過下面的描述并結(jié)合附圖說(shuō)明，本發(fā)明會(huì)更加清晰，附圖說(shuō)明用于解釋本發(fā)明方法及實(shí)施案例。附圖說(shuō)明圖1圓形油墊油膜上任一微元受力圖圖2液體熱流動(dòng)圖圖3液體流動(dòng)圖圖4溫壓耦合求解流程圖圖5封油邊無(wú)量綱壓力分布圖圖6封油邊無(wú)量綱溫度分布圖圖7油墊承載力隨靜壓轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)速變化曲線圖8油膜溫度隨隨靜壓轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)速變化曲線圖9轉(zhuǎn)速為60r/min時(shí)油膜最高溫度沿油墊周向分布具體實(shí)施方式本發(fā)明實(shí)施一種考慮溫度和離心力的重型靜壓轉(zhuǎn)臺(tái)中單個(gè)油墊的數(shù)值求解方法，下面結(jié)合附圖，對(duì)本發(fā)明的實(shí)施進(jìn)行具體說(shuō)明。步驟一：雷諾方程的建立采用微元體分析方法推導(dǎo)雷諾方程。首先在圓形油墊油膜上任取一微元，其受力如圖1所示，根據(jù)微元的受力列出微元體的力平衡方程。沿r方向的受力平衡，得：p——液體壓力；r——油墊半徑；τr——徑向切應(yīng)力；ρ——液體密度；ω——轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)速；——壓力在徑向的變化率；——徑向切應(yīng)力在z向的變化率；方向受力平衡，得：——周向切應(yīng)力；——周向切應(yīng)力在z向的變化率；——壓力在周向的變化率；定義潤(rùn)滑劑為牛頓液體，流動(dòng)形式為層流，油液不可壓縮，根據(jù)牛頓粘滯定律，η——液體動(dòng)力粘度；將式(3)帶入式(1)、式(2)式并略去高階微小量，對(duì)z進(jìn)行二次積分并代入邊界條件：當(dāng)z＝0時(shí)，當(dāng)z＝h時(shí)，代表油膜上表面周向速度，求得：將帶入式(4)，同理對(duì)z進(jìn)行二次積分并代入邊界條件：當(dāng)z＝0時(shí)，vr＝Vr；當(dāng)z＝h時(shí)，vr＝0，求得：不可壓縮液體運(yùn)動(dòng)的連續(xù)性方程為：將式(6)對(duì)z積分，交換微分次序，化簡(jiǎn)得：Vr——油膜上表面徑向速度；將式(4)、式(5)代入式(7)，并略去h的高次項(xiàng)，則得到考慮離心力作用的極坐標(biāo)雷諾方程：步驟二：能量方程的建立本位計(jì)算，以對(duì)流散熱為主而忽略膜厚方向的熱傳導(dǎo)，所以潤(rùn)滑膜溫度T只是r和的函數(shù)。分析液體在流動(dòng)中熱能和機(jī)械功的變化，如圖2所示，取夾角為徑向長(zhǎng)度為dr，高度為h的微元體進(jìn)行分析。設(shè)和qr分別代表微元體周向和徑向的容積流量，那么流入微元體的熱流量應(yīng)為Hr＝qrTρc和若取則流入微元體的熱量總和為Hr——徑向熱流量；——周向熱流量；用W表示在微元體中所做的機(jī)械功，將Hr和代入，那么根據(jù)能量守恒原理得到如下關(guān)系式：W——在微元體中所做的機(jī)械功；T——潤(rùn)滑膜溫度；c——液體比熱容；有流量連續(xù)條件可知qr——微元體在徑向的容積流量——微元體在周向的容積流量在微元體中所做的功包括兩部分，流動(dòng)功和摩擦功。液體流動(dòng)圖如圖3所示r方向的流動(dòng)功為(p+∂p∂rdr)(qr+∂qr∂rdr)-pqr---(13)]]>取dr＝1，略去高階微量，則沿r方向的流動(dòng)功為同理可得方向的流動(dòng)功。則微元體所做的總的流動(dòng)功為又因?yàn)橐蚨鲃?dòng)總功變?yōu)槁匀高次項(xiàng)，徑向流量同理可得周向流量靜壓轉(zhuǎn)臺(tái)油膜下表面速度為0，故只需計(jì)算上表面摩擦力所做的功，r方向微元體上表面摩擦力為由于取故代入vr略去h高次項(xiàng)得r方向微元體中摩擦力做功為同理方向微元體中摩擦力做功為微元體所消耗的總功W為將式(14)、式(15)、式(17)、式(18)代入式(19)得再將式(12)代入式(20)，經(jīng)整理求得靜壓轉(zhuǎn)臺(tái)油膜的能量方程步驟三：數(shù)值求解表1靜壓轉(zhuǎn)臺(tái)幾何參數(shù)和油液參數(shù)用有限差分法對(duì)雷諾方程(8)和能量方程(21)進(jìn)行聯(lián)立迭代求解，直到壓強(qiáng)分布誤差滿足精度要求。最后積分計(jì)算油墊的承載力。給定雷諾方程的邊界條件在油腔內(nèi)在四周邊緣上無(wú)量綱承載力和無(wú)量綱流量的計(jì)算公式為承載力F和流量Q的計(jì)算公式為F=F‾πR02p0Q=Q‾H03p0/η0---(24)]]>其中p0為供油壓力。由上式求得p0=Qη0/Q‾H03F=F‾πR02Qη0/H03Q‾---(25)]]>將(22)代入(25)得到承載力計(jì)算公式之后改變靜壓轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)速得到不同轉(zhuǎn)速下的油墊壓力分布，溫度分布和承載力。具體計(jì)算流程如圖4所示。為了對(duì)比引入溫粘關(guān)系對(duì)承載力的影響，分別計(jì)算考慮溫升的承載力和不考慮溫升的承載力。圖5，圖6是油墊封油邊無(wú)量綱壓力和溫度分布圖，溫度沿直徑方向封油邊向外溫度逐漸升高，可以看出壓力分布高的地方溫升也大。當(dāng)不考慮溫升變化時(shí)靜壓轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)速由10r/min增加到80r/min時(shí)油膜承載力隨轉(zhuǎn)速的變化如圖7橙色曲線所所示。計(jì)算結(jié)果表明，隨轉(zhuǎn)速加快油墊承載力都成下降趨勢(shì)，但考慮溫升之后承載力下降的更多，且轉(zhuǎn)速越高這種差異越明顯。這是因?yàn)檗D(zhuǎn)速越高發(fā)熱量越大，溫度升高越多，根據(jù)溫粘關(guān)系式油液粘度降低導(dǎo)致承載力下降。當(dāng)轉(zhuǎn)速達(dá)到80r/min時(shí)油墊平均溫度升高了11℃，最高溫度變化了25.8℃，由于溫升導(dǎo)致承載能力下降了18.1％，這說(shuō)明溫升對(duì)油膜承載能力有較大影響。由圖8可以看出雖然油膜平均溫度變化不是很大，但是最高溫度對(duì)轉(zhuǎn)速很敏感，隨轉(zhuǎn)速提高溫度上升劇烈。圖9為靜壓轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)速為60r/min時(shí)分別在和處的最高溫度分布。從圖中可以看出油墊的溫度分布沿周向大致成正弦函數(shù)形狀，這是由于油墊的中心和的靜壓轉(zhuǎn)臺(tái)旋轉(zhuǎn)中心不重合，從而油墊油液的速度分布沿封油邊軸向大致成正弦函數(shù)。具體的溫度分布形狀還與靜壓轉(zhuǎn)臺(tái)中心到油墊中心的距離、油墊半徑、轉(zhuǎn)速有關(guān)。當(dāng)前第1頁(yè)1 2 3