[發(fā)明專利]閉式高速水潤滑動壓螺旋槽推力軸承靜動態(tài)性能設(shè)計方法

在審

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• 申請日: 2020-10-26
• 公開（公告）號: CN112182808A
• 公開（公告）日: 2021-01-05
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 蔣書運(yùn);張少文
• 申請（專利權(quán)）人: 東南大學(xué)
• 主分類號: G06F30/17
• 分類號: G06F30/17;G06F30/28;F16C32/06;G06F113/08;G06F119/14
• 代理公司: 北京德崇智捷知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司 11467
• 代理人: 王繹涵

本發(fā)明提供了一種閉式高速水潤滑動壓螺旋槽推力軸承靜動態(tài)性能設(shè)計方法，其包括以下步驟：考慮空化效應(yīng)、離心效應(yīng)、紊流效應(yīng)和熱效應(yīng)等多因素的耦合作用，建立閉式高速水潤滑動壓螺旋槽推力軸承潤滑模型；閉式高速水潤滑動壓螺旋槽推力軸承靜動態(tài)性能分析計算；閉式高速水潤滑動壓螺旋槽推力軸承靜動態(tài)性能設(shè)計，以獲得盡可能大的承載力和軸向剛度，并始終保持正向流量。采用本發(fā)明提供的閉式高速水潤滑動壓螺旋槽推力軸承靜動態(tài)性能設(shè)計方法，能夠大幅提高該類軸承靜動態(tài)性能設(shè)計精度，縮短研發(fā)周期，為此類軸承性能分析和工程設(shè)計提供有效途徑。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及滑動軸承性能設(shè)計技術(shù)領(lǐng)域，尤其是一種閉式高速水潤滑動壓螺旋槽推力軸承靜動態(tài)性能設(shè)計方法。

背景技術(shù)

閉式水潤滑動壓螺旋槽推力軸承依靠主軸的轉(zhuǎn)動自主地形成動壓流體膜，既能承受雙向軸向載荷，又能承受傾覆力矩，具有一系列非常突出的技術(shù)優(yōu)勢，如：結(jié)構(gòu)簡單，成本低，承載力大，摩擦功耗低，還具有自動泵送作用，可望作為高速精密機(jī)床主軸的一種新型支承軸承，具有廣闊的工程應(yīng)用前景。

高速工況下，水潤滑動壓螺旋槽推力軸承會出現(xiàn)一系列的現(xiàn)象。首先，水的初生空化數(shù)高，水流中的微氣核在高速下更容易生長成空化泡，軸承往往處于氣-液兩相流潤滑狀態(tài)。空化現(xiàn)象是一個非常復(fù)雜的動力學(xué)過程，氣相和液相在空化區(qū)域會交替出現(xiàn)，氣-液界面上還存在質(zhì)量、動量和能量傳遞。其次，水的運(yùn)動粘度低，當(dāng)軸承邊緣速度超過60m/s時，雷諾數(shù)可達(dá)到2000，水流更趨于紊態(tài)流動；同時，流體離心慣性力凸顯，從而嚴(yán)重影響螺旋槽的自動泵送作用。此外，水膜厚度非常薄，約為油膜厚度的1/10，隨著軸承轉(zhuǎn)速和尺寸的不斷增大，水膜會受到強(qiáng)烈的剪切作用，摩擦功耗大，粘性生熱效應(yīng)已不容忽視。

現(xiàn)有的動壓螺旋槽推力軸承潤滑理論主要針對輕載小尺寸軸承的油(或氣體)潤滑而建立的，不能準(zhǔn)確地描述高速水潤滑動壓螺旋槽推力軸承的動力學(xué)行為，其計算精度低，不適用于此類軸承靜動態(tài)性能設(shè)計。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明基于二相流體動力學(xué)理論，提出一種基于雷諾方程的異質(zhì)二相流空化模型，并在此基礎(chǔ)上，考慮流體離心效應(yīng)、紊流效應(yīng)和熱效應(yīng)等多種因素的耦合作用，建立一種適用的閉式高速水潤滑動壓螺旋槽推力軸承潤滑模型，繼而提出此類軸承靜動態(tài)性能設(shè)計方法，旨在大幅提高軸承性能設(shè)計精度，降低設(shè)計風(fēng)險。

本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下：

一種閉式高速水潤滑動壓螺旋槽推力軸承靜動態(tài)性能設(shè)計方法，包括以下步驟：

S1：考慮空化效應(yīng)、離心效應(yīng)、紊流效應(yīng)和熱效應(yīng)等多因素的耦合作用，建立閉式高速水潤滑動壓螺旋槽推力軸承潤滑模型：建立液相靜動態(tài)廣義雷諾方程、液相能量方程、空泡體積分?jǐn)?shù)輸運(yùn)方程、單個空泡運(yùn)動方程，解得穩(wěn)態(tài)壓力和擾動壓力，獲得軸承的靜動態(tài)性能參數(shù)；

s2：基于s1所建立的軸承潤滑模型，開展閉式高速水潤滑動壓螺旋槽推力軸承靜動態(tài)性能分析計算；

基于s2的分析結(jié)果，開展閉式高速水潤滑動壓螺旋槽推力軸承靜動態(tài)性能設(shè)計，以獲得盡可能大的承載力和軸向剛度，并始終保持正向流量。

所述s1具體通過以下s11-s16六個步驟實現(xiàn)：

s11：坐標(biāo)系的建立與轉(zhuǎn)換：

所述推力軸承由兩個相對的固定設(shè)置的推力瓦和一個順時針旋轉(zhuǎn)的推力盤組成；所述推力盤的上工作面、下工作面均刻有周期分布的螺旋槽，兩個所述推力瓦的工作表面則完全光滑；

所建立的圓柱坐標(biāo)系(r，θ，z)與以角速度ω旋轉(zhuǎn)的推力盤固連，而所建立的慣性坐標(biāo)系(r，Φ，z)與靜止的推力瓦固連；此外，還建立笛卡爾坐標(biāo)系(x，y，z)；

運(yùn)用邊界擬合坐標(biāo)系對軸承幾何形狀進(jìn)行轉(zhuǎn)換，物理平面(r，θ)和計算平面(ξ，η)之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系為：