大型重載液體靜壓轉臺承載特性及流固熱耦合規(guī)律研究.pdf

1、大型重載液體靜壓轉臺是重型立式機床的核心功能部件，由于具有高承載能力、高剛度、無磨損、長壽命等顯著優(yōu)點，在衛(wèi)星大型鋁合金件、核電高壓泵體、大型閥門閥芯、風電基座等大型核心零件加工中具有廣泛用途。相比于小型液體靜壓轉臺，大型重載液體靜壓轉臺的直徑通常達8-12m，而油膜厚度僅0.15mm左右，尺寸效應帶來的力熱變形與油膜厚度的比值顯著增大，對其承載特性影響明顯，同時流固熱耦合效應也嚴重影響其運行平穩(wěn)性和加工精度。與發(fā)達國家比較，我國自主生

2、產(chǎn)的大型重載液體靜壓轉臺不同程度地存在運行平穩(wěn)性差、加工精度低，靜壓導軌易發(fā)生刮擦事故等問題。為解決上述問題，本文深入研究了大型重載液體靜壓轉臺的承載特性及其流固熱耦合規(guī)律，主要研究內(nèi)容如下:
　　(1)系統(tǒng)推導并建立大型重載液體靜壓轉臺固定邊界油膜承載特性解析計算方法:針對均載工況，大型重載液體靜壓轉臺傳統(tǒng)設計中，承載特性計算未考慮離心力影響的問題，建立計入離心力影響的油膜承載特性數(shù)學模型，并提出離心力影響因子的概念;針對固定偏

3、載工況，提出了固定偏載液體靜壓轉臺承載特性的當量油膜厚度解析算法。基于固定邊界油膜承載特性解析計算方法，分別研究均載和固定偏載工況下，固定邊界油膜的承載特性受工作參數(shù)的影響規(guī)律。
　　(2)針對裝夾偏載運行工況，創(chuàng)新性地提出大型重載液體靜壓轉臺可動邊界油膜承載特性動網(wǎng)格計算方法。該方法采用UDF自定義程序實現(xiàn)對偏載液體靜壓轉臺運行時油膜形態(tài)變化過程的模擬;并將轉速加載到各運動單元，將油膜旋轉動邊界轉換為靜止邊界以避免轉臺旋轉引起的

4、油膜網(wǎng)格畸變;利用彈簧光順模型更新因轉臺傾斜方向改變引起的油膜網(wǎng)格擠壓變形?；谠撍惴ǎ瑢ζd靜壓轉臺可動邊界油膜進行仿真分析，研究其承載特性受工作參數(shù)的影響規(guī)律。
　　(3)通過建立大型重載液體靜壓轉臺的流固熱耦合模型，將Fluent軟件中得到的油膜壓力場和溫度場計算結果作為載荷加載到Workbench的液體靜壓轉臺固體結構模型中，從而實現(xiàn)大型重載液體靜壓轉臺流固熱耦合變形計算。采用大型重載液體靜壓轉臺流固熱耦合變形計算方法，研

5、究上下兩靜壓導軌變形場對油膜厚度的影響規(guī)律，對流固熱耦合模型進行簡化，并進一步研究均載及偏載工況下，主要工作參數(shù)對液體靜壓轉臺、導軌變形以及最小油膜厚度的影響規(guī)律。
　　(4)針對大型重載液體靜壓轉臺流固熱耦合變形使轉臺的運行平穩(wěn)性和加工精度降低，甚至發(fā)生刮擦事故的工程難題，提出大型重載液體靜壓轉臺流固熱耦合變形的控制策略:①提高摩擦副表面的輪廓精度和表面光潔度;②轉臺導軌運動面預變形補償;③優(yōu)化轉臺結構參數(shù)，增強轉臺結構剛度，減

6、小力熱變形;④油膜厚度在線監(jiān)測與補償系統(tǒng)。通過對比分析控制前后的導軌變形以及生產(chǎn)實踐驗證大型重載液體靜壓轉臺流固熱變形控制策略的有效性。
　　(5)建立大型重載液體靜壓轉臺實驗臺系統(tǒng)，分別對固定邊界油膜承載特性及可動邊界油膜承載特性進行實驗研究。通過試驗驗證油膜厚度在線監(jiān)測及補償系統(tǒng)對能油膜厚度監(jiān)測、控制的有效性。通過對比實驗數(shù)據(jù)與理論計算結果，驗證固定邊界油膜承載特性解析計算方法以及可動邊界油膜承載特性動網(wǎng)格計算方法的正確性和有