CN105069264B - 双矩形腔静压推力轴承旋转速度与承载合理匹配方法 - Google Patents
双矩形腔静压推力轴承旋转速度与承载合理匹配方法 Download PDFInfo
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Abstract
一种双矩形油腔静压推力轴承旋转速度与承载合理匹配方法，旋转速度与承载匹配关系通过理论推导得到，计算过程由自编程序完成，程序包括参数输入模块、理论计算模块、结果存储和性能优化等模块。该方法依据润滑理论及摩擦学原理采用Visual Basic.NET方式开发，应用此方法可以极大减轻设计人员的重复计算工作量，并提高和保证了计算精度。本发明适用于静压推力轴承旋转速度与承载合理匹配关系，并且具有可视化、操作简便等优点。
Description
技术领域
本发明涉及一种静压推力轴承旋转速度与承载合理匹配方法，尤其涉及一种双矩形腔静压推力轴承旋转速度与承载合理匹配方法。
背景技术
静压推力轴承属于全液体摩擦轴承，它具有摩擦小、油膜刚度大、支承精度高、抗振动及使用寿命长等特点，因而广泛地应用于动力机械、军事装备、航空航天设施及核工业中，是高速重载数控加工装备的关键部件，其性能优劣直接影响设备的加工质量和运行效率。随着高速重切削技术出现，静压支承旋转速度和承载增加，油膜剪切发热变大，油膜变薄，加之变形不均匀，将导致静压摩擦副局部出现边界润滑或干摩擦现象发生，严重时将出现摩擦学失效，所以提高工作台的旋转速度和推力轴承的承载能力是目前必须解决的问题。旋转速度和所承受载荷对静压支承润滑性能有显著影响，并且这两个影响因素相互耦合，探究旋转速度和承载合理匹配关系成为超重型静压支承性能研究的关键。针对此难题，以双矩形油腔静压支承为研究对象，依据摩擦学和润滑理论计算工作台旋转速度与所承受载荷的具体关系式，获得双矩形腔静压推力轴承旋转速度与承载合理匹配方法。
发明内容
本发明提供一种双矩形腔静压推力轴承旋转速度与承载合理匹配方法，旋转速度与承载匹配关系通过理论推导得到，计算过程由自编程序完成，程序包括参数输入模块、理论计算模块、结果存储和性能优化等模块。该方法依据润滑理论及摩擦学原理采用VisualBasic.NET方式开发，应用此方法可以极大减轻设计人员的重复计算工作量，并提高和保证了计算精度。本发明适用于静压推力轴承旋转速度与承载合理匹配关系，并且具有可视化、操作简便等优点。
可以通过以下技术方案来实现：
步骤A、输入参数
输入参数模块，此模块由tabcontrol控件、label控件、textbox控件、radiobutton控件组成，选择相应radiobutton控件，此控件后面的数值作为输入参数；
步骤B、理论计算
输入相关计算参数，“保存数据”按钮可以把此次运算的结果保存到下一个窗口中，以便后续数据储存、比较以及绘制曲线；理论计算模块是通过计算使得工作台旋转速度和承载能力达到合理匹配
1)作用于油膜上的剪切力
2)作用于油膜表面上的摩擦力
Ff＝∫∫AτdA (2)
由于油膜表面上各点的滑动速度υ都相等，故：
支承工作面A由两部分组成，油腔封油边和支承肋部分面积Ac及油腔部分面积Ar；由于封油边和支承肋处的间隙远远小于油腔的深度，所以油腔部分面积可以略去不计，则在设计状态时一个油腔的摩擦力为：
式中：Af为一个油腔的有效摩擦面积，Af＝As，精确些可取Af＝As+Ar/4；
3)摩擦扭矩
在一定运动速度下克服支承中各油垫中由于润滑油的粘性产生的阻力所消耗的扭矩就是摩擦扭矩；当按初始间隙计算时，其值为：
式中：z为双矩形油腔个数；r为双矩形油垫中心距回转中心的半径；As为封油边面积；Ar为油腔面积；t为油腔深度；GT为旋转工作台自重；GJ为所加工工件重量；F为切削力；
4)工作台旋转速度与承载关系
电动机的输出扭矩为
式中：P为电动机的额定功率；n为电动机额定转速；
电动机与工作台之间经过多级齿轮变速之后，工作台的输出扭矩为
T1＝ηT (7)
式中：η包括联轴器效率、齿轮传动效率，轴承效率和装配效率；
当工作台输出的扭矩恰好被工作台与导轨之间的间隙油膜的内摩擦所消耗时，即可推出工作台旋转转速与载荷之间关系；
根据上述计算所得的性能进行综合评价，得到其最优润滑性能，并实现工作台旋转转速与载荷之间关系的合理匹配；
步骤C、结果存储和关系曲线绘制
结果存储和关系曲线绘制模块由两个panel组成，一个panel中包含checkbox控件、label控件、textbox控件中multiline属性设置为true；右侧panel由chart控件与button控件所组成；“保存结果”控件可以把6个textbox控件中的内容均保存到电脑中，以为后续的研究与分析；当“绘制关系曲线”按钮被单击时，如果没有选择绘制曲线的XY轴坐标的话，它将会提示，但“变量”必须作为绘制曲线的XY轴其中一个。
根据权利要求1所述的一种双矩形腔静压推力轴承旋转速度与承载合理匹配方法，其特征在于所述步骤A中工作台与底座采用1/24模型分析。
发明效果
本发明方法依据润滑理论和摩擦学原理，理论推导了双矩形腔静压推力轴承旋转速度与承载匹配关系，利用自编计算机程序实现计算以及旋转速度与承载匹配关系曲线绘制。这为静压推力轴承实现高速重载奠定了技术基础，为静压推力轴承的设计提供重要参考依据，避免出现静压推力轴承润滑失效，为设计更合理的静压推力轴承结构提供有价值的理论依据。实践证明，利用该方法对立式数控机床双矩形腔静压推力轴承旋转速度与承载匹配关系进行优化设计，可以保证其正常、安全运行并未发生干摩擦和边界润滑现象，减少了停机调整时间，故提高生产率30％，运行精度和稳定性提高20％。
附图说明
此方法利用visual basic.net软件进行编程，共分为4个窗口。
第一个窗口命名为哈尔滨理工大学，其中包括此方法的名称双矩形油腔静压推力轴承旋转速度与承载合理匹配关系程序系统，发明人所在地点名称哈尔滨理工大学润滑理论与轴承研究所，通过“进入”按钮进入第二个窗口。
第二个窗口：输入需要计算所需的相关参数。
第三个窗口：显示计算结果。
第四个窗口：“保存结果”按钮能够实现数据保存功能，保存相应计算结果。“绘制关系曲线”按钮，通过选择左侧两个变量作为XY轴进行绘制曲线，其中“变量”必须选择，选择这个“变量”即为优化参数，因此可通过绘制旋转速度与承载合理匹配关系曲线。
图1是静压推力轴承油腔结构尺寸图。
图2是本发明实施方式程序框图；
图3是本发明初始界面图。该方法初始界面是如图3所示，在窗口的左上侧有一个双矩形腔的logo图标；
图4是本发明参数输入界面图；
图5是本发明计算功能界面图。
具体实施方式
可以通过以下技术方案来实现：
步骤A、输入参数
输入参数模块由tabcontrol控件、label控件、textbox控件、radiobutton控件组成，选择相应radiobutton控件，此控件后面的数值作为输入参数。
步骤B、理论计算
输入相关计算参数，“保存数据”按钮可以把此次运算的结果保存到下一个窗口中，以便后续数据储存、比较以及绘制曲线。理论计算模块是通过计算使得工作台旋转速度和承载能力达到合理匹配。
5)作用于油膜上的剪切力
6)作用于油膜表面上的摩擦力
Ff＝∫∫AτdA (2)
由于油膜表面上各点的滑动速度υ都相等，故：
支承工作面A由两部分组成，油腔封油边和支承肋部分面积Ac及油腔部分面积Ar。由于封油边和支承肋处的间隙远远小于油腔的深度，所以油腔部分面积可以略去不计，则在设计状态时一个油腔的摩擦力为：
式中：Af为一个油腔的有效摩擦面积，Af＝As，精确些可取Af＝As+Ar/4。
7)摩擦扭矩
在一定运动速度下克服支承中各油垫中由于润滑油的粘性产生的阻力所消耗的扭矩就是摩擦扭矩。当按初始间隙计算时，其值为：
式中：z为双矩形油腔个数；r为双矩形油垫中心距回转中心的半径；As为封油边面积；Ar为油腔面积；t为油腔深度；GT为旋转工作台自重；GJ为所加工工件重量；F为切削力。
8)工作台旋转速度与承载关系
电动机的输出扭矩为
式中：P为电动机的额定功率；n为电动机额定转速。
电动机与工作台之间经过多级齿轮变速之后，工作台的输出扭矩为
T1＝ηT (7)
式中：η包括联轴器效率、齿轮传动效率，轴承效率和装配效率。
当工作台输出的扭矩恰好被工作台与导轨之间的间隙油膜的内摩擦所消耗时，即可推出工作台旋转转速与载荷之间关系。
根据上述计算所得的性能进行综合评价，得到其最优润滑性能，并实现工作台旋转转速与载荷之间关系的合理匹配。
步骤C、结果存储和关系曲线绘制
结果存储和关系曲线绘制模块由两个panel组成，一个panel中包含checkbox控件、label控件、textbox控件中multiline属性设置为true。右侧panel由chart控件与button控件所组成。“保存结果”控件可以把6个textbox控件中的内容均保存到电脑中，以为后续的研究与分析。当“绘制关系曲线”按钮被单击时，如果没有选择绘制曲线的XY轴坐标的话，它将会提示，但“变量”必须作为绘制曲线的XY轴其中一个。
Claims (2)
1.一种双矩形腔静压推力轴承旋转速度与承载合理匹配方法，可以通过以下步骤实现：
步骤A、输入参数
输入参数模块由tabcontrol控件、label控件、textbox控件、radiobutton控件组成，选择相应radiobutton控件，此控件后面的数值作为输入参数；
步骤B、理论计算
输入相关计算参数，“保存数据”按钮可以把此次运算的结果保存到下一个窗口中，以便后续数据储存、比较以及绘制曲线；理论计算模块是通过计算使得工作台旋转速度和承载能力达到合理匹配；
1)作用于油膜上的剪切力
<mrow>
<mi>&tau;</mi>
<mo>=</mo>
<mi>&mu;</mi>
<mfrac>
<mi>&upsi;</mi>
<mi>h</mi>
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<mo>-</mo>
<mo>-</mo>
<mo>-</mo>
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<mo>)</mo>
</mrow>
</mrow>
2)作用于油膜表面上的摩擦力
Ff＝∫∫AτdA (2)
由于油膜表面上各点的滑动速度υ都相等，故：
<mrow>
<msub>
<mi>F</mi>
<mi>f</mi>
</msub>
<mo>=</mo>
<mi>&mu;</mi>
<mi>&upsi;</mi>
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<mo>-</mo>
<mo>-</mo>
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<mo>)</mo>
</mrow>
</mrow>
支承工作面A由两部分组成，油腔封油边和支承肋部分面积Ac及油腔部分面积Ar；由于封油边和支承肋处的间隙远远小于油腔的深度，所以油腔部分面积可以略去不计，则在设计状态时一个油腔的摩擦力为：
<mrow>
<msub>
<mi>F</mi>
<mi>f</mi>
</msub>
<mo>=</mo>
<mfrac>
<mrow>
<mi>&mu;</mi>
<mi>&upsi;</mi>
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<msub>
<mi>h</mi>
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</mfrac>
<mo>&Integral;</mo>
<msub>
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<mi>d</mi>
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<mo>=</mo>
<mfrac>
<mrow>
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<msub>
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<msub>
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</msub>
<mo>-</mo>
<mo>-</mo>
<mo>-</mo>
<mrow>
<mo>(</mo>
<mn>4</mn>
<mo>)</mo>
</mrow>
</mrow>
式中：Af为一个油腔的有效摩擦面积，Af＝As，精确些可取Af＝As+Ar/4；
3)摩擦扭矩
在一定运动速度下克服支承中各油垫中由于润滑油的粘性产生的阻力所消耗的扭矩就是摩擦扭矩；当按初始间隙计算时，其值为：
<mrow>
<msub>
<mi>M</mi>
<mi>f</mi>
</msub>
<mo>=</mo>
<msup>
<mi>z&mu;&omega;r</mi>
<mn>2</mn>
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<mi>h</mi>
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<msub>
<mi>G</mi>
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<mo>+</mo>
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<mo>+</mo>
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</mfrac>
<mo>+</mo>
<mfrac>
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<mi>r</mi>
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<mi>t</mi>
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<mo>)</mo>
</mrow>
<mo>-</mo>
<mo>-</mo>
<mo>-</mo>
<mrow>
<mo>(</mo>
<mn>5</mn>
<mo>)</mo>
</mrow>
</mrow>
式中：z为双矩形油腔个数；r为双矩形油垫中心距回转中心的半径；As为封油边面积；Ar为油腔面积；t为油腔深度；GT为旋转工作台自重；GJ为所加工工件重量；F为切削力；
4)工作台旋转速度与承载关系
电动机的输出扭矩为
<mrow>
<mi>T</mi>
<mo>=</mo>
<mn>9550</mn>
<mfrac>
<mi>P</mi>
<mi>n</mi>
</mfrac>
<mo>-</mo>
<mo>-</mo>
<mo>-</mo>
<mrow>
<mo>(</mo>
<mn>6</mn>
<mo>)</mo>
</mrow>
</mrow>
式中：P为电动机的额定功率；n为电动机额定转速；
电动机与工作台之间经过多级齿轮变速之后，工作台的输出扭矩为
T1＝ηT (7)
式中：η包括联轴器效率、齿轮传动效率，轴承效率和装配效率；
当工作台输出的扭矩恰好被工作台与导轨之间的间隙油膜的内摩擦所消耗时，即可推出工作台旋转转速与载荷之间关系；
<mrow>
<mi>&omega;</mi>
<mo>=</mo>
<mfrac>
<mrow>
<mi>&eta;</mi>
<mi>T</mi>
</mrow>
<mrow>
<msup>
<mi>z&mu;r</mi>
<mn>2</mn>
</msup>
<mrow>
<mo>(</mo>
<mfrac>
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<msub>
<mi>h</mi>
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<mfrac>
<msub>
<mi>G</mi>
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<mi>G</mi>
<mi>T</mi>
</msub>
<mo>+</mo>
<msub>
<mi>G</mi>
<mi>J</mi>
</msub>
<mo>+</mo>
<mi>F</mi>
</mrow>
</mfrac>
<mn>3</mn>
</mroot>
</mrow>
</mfrac>
<mo>+</mo>
<mfrac>
<msub>
<mi>A</mi>
<mi>r</mi>
</msub>
<mi>t</mi>
</mfrac>
<mo>)</mo>
</mrow>
</mrow>
</mfrac>
<mo>-</mo>
<mo>-</mo>
<mo>-</mo>
<mrow>
<mo>(</mo>
<mn>8</mn>
<mo>)</mo>
</mrow>
</mrow>
根据上述计算所得的性能进行综合评价，得到其最优润滑性能，并实现工作台旋转转速与载荷之间关系的合理匹配；
步骤C、结果存储和关系曲线绘制
结果存储和关系曲线绘制模块由两个panel组成，一个panel中包含checkbox控件、label控件、textbox控件中multiline属性设置为true；右侧panel由chart控件与button控件所组成；“保存结果”控件可以把6个textbox控件中的内容均保存到电脑中，以为后续的研究与分析；当“绘制关系曲线”按钮被单击时，如果没有选择绘制曲线的XY轴坐标的话，它将会提示，但“变量”必须作为绘制曲线的XY轴其中一个。
2.根据权利要求1所述的一种双矩形腔静压推力轴承旋转速度与承载合理匹配方法，其特征在于所述步骤A中工作台与底座采用1/24模型分析。
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| US4333692A (en) * | 1980-12-05 | 1982-06-08 | Excelermatic Inc. | Hydrostatic axial thrust bearing |
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| Study on Flowability of the Gap Oil Film of the Multi-oil Pad Hydrostatic Bearing with Variable Viscosity;Shao J 等;《International Conference on Intelligent Human-Machine Systems and Cybernetics》;20091231;第15-18页 * |
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|---|---|
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