【技术实现步骤摘要】
本专利技术公布了一种通过重定义静压推力轴承摩擦副材料分布来均化间隙油膜形貌的方法，属于静压推力轴承领域。
技术介绍
1、随着现代工业快速发展，我国正从制造大国向制造强国转变，对工业加工设备的承载能力、加工精度和稳定性有了更高的需求。回转机构是工业加工设备中起重要作用的组成部分，回转机构的核心部件之一为静压推力轴承。静压推力轴承主要由底座、工作台和摩擦副组成，摩擦副由镜板和油垫组成，静压推力轴承工作时，润滑油在泵的作用下以一定的压力输送到摩擦副镜板和油垫间隙中形成油膜，分离两相对滑动的表面，这使重型机械的轴承在消除摩擦和磨损以及减少启动扭矩方面具有优势。静压推力轴承在高速重载连续运转工况下，剪切发热增大，造成摩擦副变形增大，导致油膜变薄且分布不均匀，出现静压和动压严重损失，导致设备加工精度和稳定性降低，若设备继续运转，摩擦副过大的热变形与力变形极可能会造成实际情况偏离理论设计模型，甚至导致边界润滑和干摩擦的出现造成设备损坏。
2、静压推力轴承在高速重载工况下油膜会变薄且分布不均匀，造成运转精度和稳定性降低，会影响设备运行精度，这不利于我国制造业向高效率、高精度方向发展，所以提高静压推力轴承的可靠性、承载能力和运转精度是非常有必要的。以往的研究重点主要是通过改进液压系统和油垫结构，侧重点在增强轴承油膜的刚度，降低油膜的温度来抑制油膜变薄，鲜见从控制油膜形貌，均化油膜厚度的角度，从根本上解决油膜分布不均匀问题。可考虑通过重塑摩擦副的结构和调整材料分布来改变摩擦副变形，从而控制油膜形貌，解决油膜分布不均匀问题。因此本专利技术
技术实现思路
1、本专利技术所要解决的技术问题为静压推力轴承在高速重载连续运转工况下，油膜分布不均匀造成的摩擦失效、稳定性和加工精度下降问题。为解决这一问题，提出了一种通过重定义静压推力轴承摩擦副材料分布来均化间隙油膜形貌的方法，是基于传热学和结构力学等基本原理，通过重定义摩擦副材料分布，改变摩擦副变形进而控制油膜形貌。此方法可达到均化油膜形貌的效果，从而提高轴承的承载能力和运转精度，避免摩擦失效。
2、重定义摩擦副材料分布是指在摩擦副中采用多种材料，并调整每种材料的分布位置。此调整不限于摩擦副本身的结构，也包括底座和工作台。如果调整材料分布的位置超出了摩擦副的结构范围，超出的部分纳入摩擦副结构中。在维持静压推力轴承整体结构，不影响结构承载强度的前提下，重塑摩擦副结构，这可增加摩擦副的体积，扩大调整材料分布的范围，从而更容易均化油膜形貌。
3、油膜形貌分布不均匀是因为温度分布不均导致摩擦副不同位置的变形不同造成的，可把摩擦副变形大的位置材料重定义为抗变形材料，如结构钢和灰铸铁等热膨胀系数与传热系数小的材料；把变形小的位置材料重定义为助变形材料，如铝合金和铜合金等热膨胀系数与传热系数大的材料。可根据摩擦副不同位置的变形大小调整不同材料的使用量，如变形大的位置增加抗变形材料的使用量，变形小的位置增加助变形材料的使用量。可根据摩擦副不同位置的变形大小调整两种材料的使用量，变形大的位置就多使用抗变形材料少使用助变形材料，变形小的位置就多使用助变形材料少使用抗变形材料。这样根据摩擦副的变形情况不断调整抗变形材料与助变形材料的分布位置，可在不影响静压推力轴承整体强度的条件下，达到均化油膜形貌的效果。
4、在高速重载工况下，传统双矩形静压推力轴承的摩擦副变形情况为内侧变形大、外侧变形小，导致油膜呈楔形。为解决这一问题，本专利技术提出了一种方法：通过重新定义摩擦副材料分布，把摩擦副内侧部分结构材料重定义为抗变形材料，而外侧部分结构材料重定义为助变形材料，从而均化油膜形貌。调整材料分布时，需根据摩擦副的油垫和镜板的变形情况来调整材料的分布，变形大的位置扩大结构中抗变形材料的分布面积，变形小的位置扩大结构中助变形材料的分布面积，这样根据不同位置的变形情况调整其结构中的两种材料分布，即可使摩擦副均匀变形，达到均化油膜的效果。当将摩擦副变形大的位置全使用抗变形材料，变形小的位置全使用助变形材料时，摩擦副变形情况还是内侧变形大外侧变形小，则需重塑摩擦副结构。此时，调整材料分布不再局限于摩擦副结构，可扩大调整材料的范围，甚至将底座和工作台与摩擦副连接位置的材料纳入考虑范围，并把底座和工作台其中调整材料的结构纳入摩擦副结构中，从而达成重塑摩擦副结构均化油膜形貌的效果。当调整材料范围即将超出底座和工作台的结构时，摩擦副的变形还是内侧变形大外侧变形小，此时需要重新选择材料，选择热膨胀系数和热传导系数更小的抗变形材料与热膨胀系数和热传导系数更大的助变形材料，再根据摩擦副不同位置的变形情况调整材料的分布位置，这样不断调整材料分布即可控制摩擦副变形达成均化油膜形貌的效果。以上是本专利技术方法能使静压推力轴承在高速重载工况下均化油膜形貌的详细叙述。
5、本方法以q1-224型双矩形静压推力轴承为例，轴承共12个油垫，整体呈圆周对称分布，因每个油垫的供油系统和承载能力都是独立的，为降低研究成本，所以取1/12进行研究。通过重定义摩擦副材料分布，赋予油垫和镜板不同热膨胀系数的材料分层，以结构钢、铝合金和铜合金为例，因为结构钢的热膨胀系数和热传导系数小于铝合金，所以在相同温度影响下，结构钢的变形小于铝合金，可通过赋予摩擦副多种材料分层和调整材料分布位置来改变摩擦副的变形，从而达到均化油膜形貌的效果。
6、传统双矩形静压推力轴承在高速重载连续运转工况下，油膜会变薄且分布不均匀，继续持续工作极有可能会发生边界润滑或干摩擦，造成摩擦失效。本方法可通过赋予摩擦副多种材料和调整材料分布位置来改变摩擦副的变形，达到均化油膜形貌的目的，进一步提高了轴承的转速和承载能力，避免摩擦失效。
7、本方法根据结构的变形情况，重新定义了结构的材料分布。无需大幅度改变原始结构，该方法可以解决温度分布不均匀导致静压推力轴承摩擦副间隙油膜分布不均匀的问题，避免了极端工况引发的摩擦失效等问题。
8、上述专利技术目的是通过以下技术方法实现的：
9、(1)利用三维cad软件solidworks等建立静压推力轴承三维模型，并将模型导入ansys workbench软件。
10、(2)利用传热学和结构力学等基本原理定义材料分布，在engineering data模块中设置材料属性。
11、(3)利用icem-cfd模块和mechanical model模块分别对流体域和固体域进行网格划分和定义边界条件名称，因流体域需要高质量网格，所以用icem-cfd模块可生成高质量网格，固体域可用mechanical model模块生成网格。
12、(4)使用cfx模块数值模拟流体域，通过设置边界条件对其进行求解，可得出固体域温度和油膜压力等。
13本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种通过重定义静压推力轴承摩擦副材料分布来均化间隙油膜形貌的方法，其特征在于：所述方法通过以下步骤实现：
2.如权利要求1所述的一种通过重定义静压推力轴承摩擦副材料分布来均化间隙油膜形貌的方法，其特征在于：步骤A、建立静压推力轴承三维模型，结构包括：工件、工作台、油膜、油垫和底座，并将模型导入Ansys Workbench软件。
3.如权利要求1所述的一种通过重定义静压推力轴承摩擦副材料分布来均化间隙油膜形貌的方法，其特征在于：步骤B、基于传热学和结构力学等基本原理定义材料分布，在Engineering Data模块中设置材料属性。
4.如权利要求1所述的一种通过重定义静压推力轴承摩擦副材料分布来均化间隙油膜形貌的方法，其特征在于：步骤C、利用ICEM-CFD模块和Mechanical Model模块分别对流体域和固体域进行网格划分和定义边界条件名称，因流体域需要高质量网格，所以用ICEM-CFD模块可生成高质量网格，固体域可用Mechanical Model模块生成网格。
5.如权利要求1所述的一种通过重定义静压推力轴承摩擦副
6.如权利要求1所述的一种通过重定义静压推力轴承摩擦副材料分布来均化间隙油膜形貌的方法，其特征在于：步骤E、使用Static Structural模块数值模拟固体域，通过设置边界条件，并导入CFX模块分析结果，包括固体域温度和油膜压力，求解轴承的变形，可得出摩擦副变形等零件变形。
7.如权利要求1所述的一种通过重定义静压推力轴承摩擦副材料分布来均化间隙油膜形貌的方法，其特征在于：步骤F、利用MATLAB软件对摩擦副变形文件进行后处理，得出油膜形貌。
8.如权利要求1所述的一种通过重定义静压推力轴承摩擦副材料分布来均化间隙油膜形貌的方法，其特征在于：步骤G、判断油膜形貌是否符合预期，如果符合预期则得出本方法最优解，否则执行步骤H。
9.如权利要求1所述的一种通过重定义静压推力轴承摩擦副材料分布来均化间隙油膜形貌的方法，其特征在于：步骤H、调整摩擦副材料和材料分布，根据摩擦副不同位置的变形情况，调整材料的分布位置，在变形大的位置增加抗变形材料的使用量，在变形小的位置增加助变形材料的使用量，调整材料分布位置不局限于摩擦副本身的结构，可超出摩擦副的结构范围，超出的部分纳入摩擦副结构中，重塑摩擦副结构，这样可在不影响静压推力轴承整体结构强度的条件下，不断调整抗变形材料和助变形材料的分布，达到均化油膜形貌的效果；若调整材料分布范围即将超出静压推力轴承整体结构时，还不能达到均化油膜形貌的效果，则需重新选择材料，选择热膨胀系数和热传导系数更小的抗变形材料与热膨胀系数和热传导系数更大的助变形材料，再根据摩擦副不同位置的变形情况调整材料的分布位置，即可达到均化油膜形貌的效果。对比均化前后的油膜形貌，可证明本方法的可行性。
...【技术特征摘要】
1.一种通过重定义静压推力轴承摩擦副材料分布来均化间隙油膜形貌的方法，其特征在于：所述方法通过以下步骤实现：
2.如权利要求1所述的一种通过重定义静压推力轴承摩擦副材料分布来均化间隙油膜形貌的方法，其特征在于：步骤a、建立静压推力轴承三维模型，结构包括：工件、工作台、油膜、油垫和底座，并将模型导入ansys workbench软件。
3.如权利要求1所述的一种通过重定义静压推力轴承摩擦副材料分布来均化间隙油膜形貌的方法，其特征在于：步骤b、基于传热学和结构力学等基本原理定义材料分布，在engineering data模块中设置材料属性。
4.如权利要求1所述的一种通过重定义静压推力轴承摩擦副材料分布来均化间隙油膜形貌的方法，其特征在于：步骤c、利用icem-cfd模块和mechanical model模块分别对流体域和固体域进行网格划分和定义边界条件名称，因流体域需要高质量网格，所以用icem-cfd模块可生成高质量网格，固体域可用mechanical model模块生成网格。
5.如权利要求1所述的一种通过重定义静压推力轴承摩擦副材料分布来均化间隙油膜形貌的方法，其特征在于：步骤d、使用cfx模块数值模拟流体域，通过设置边界条件对其进行求解，可得出固体域温度和油膜压力等。
6.如权利要求1所述的一种通过重定义静压推力轴承摩擦副材料分布来均化间隙油膜形貌的方法，其特征在于：步骤e、使用static structural模块数值...
【专利技术属性】
技术研发人员：杨晓冬，刘守国，王潞桐，李奇峰，
申请(专利权)人：哈尔滨理工大学，
类型：发明
国别省市：
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