【摘要】：課題來源于國家自然科學基金項目“新型高性能油膜軸承節(jié)流機理研究(51075409)”。隨著旋轉(zhuǎn)設備向著高速、重載、精密化方向發(fā)展,設備的精度要求及運行環(huán)境對作為重要基礎支承部件的油膜軸承的性能提出了更高的要求。油膜軸承為提高其性能,軸承與軸頸之間必須采用較小的配合間隙,這使軸承制造過程中產(chǎn)生的誤差與軸承的油膜厚度處于同一個數(shù)量級上,顯著影響油膜軸承的性能。通過不斷提高軸承加工精度來獲得高性能油膜軸承的途徑會使生產(chǎn)成本增加,制造周期增長,產(chǎn)品合格率低。為此,本文在已有研究基礎上,引入加工誤差模型,建立了考慮加工誤差的油膜軸承潤滑理論模型。同時,為了降低加工誤差的影響,將傳統(tǒng)節(jié)流器與伺服可控節(jié)流相結(jié)合提出一種伺服混合可控節(jié)流油膜軸承,引入基于遺傳算法優(yōu)化PID控制器參數(shù)的伺服主動控制技術,對油腔的進油液阻進行調(diào)節(jié)從而控制油腔中的油壓以提高軸承的性能。通過建立加工誤差對軸承性能影響的累積效應數(shù)學模型,對比分析考慮加工誤差的毛細管節(jié)流油膜軸承與混合節(jié)流油膜軸承的動態(tài)特性,研究加工誤差因素對軸承的性能影響以及對主軸的位置精度、回轉(zhuǎn)精度的作用規(guī)律,以尋求一種既能降低制造成本,又能提高軸承性能的方法,為軸承的性能分析和設計提供依據(jù)。論文的主要工作及成果如下:①在傳統(tǒng)油膜軸承基本潤滑理論基礎上,考慮加工誤差因素對油膜軸承的影響,建立加工過程中產(chǎn)生的尺寸誤差、形狀誤差表達式,建立加工誤差對軸承性能影響的累積效應數(shù)學模型。以此重構(gòu)油膜間隙函數(shù)、雷諾方程、流量連續(xù)性方程,建立考慮加工誤差的油膜軸承動態(tài)特性分析模型。②構(gòu)建了混合節(jié)流油膜軸承系統(tǒng)。建立混合節(jié)流油膜軸承控制系統(tǒng)及PID控制器參數(shù)優(yōu)化模型。根據(jù)流體潤滑和承載機理推導油膜軸承油腔內(nèi)、封油面上的油膜力以及主軸動力學方程,建立混合節(jié)流油膜軸承性能分析的數(shù)學模型。采用遺傳算法對軸承控制系統(tǒng)的PID控制器參數(shù)進行優(yōu)化。將加工誤差的數(shù)學模型進入到混合節(jié)流油膜軸承系統(tǒng)中,重構(gòu)軸承性能分析的數(shù)學模型。③對比分析不考慮加工誤差影響情況下,工況條件變化(載荷、轉(zhuǎn)速、粘度)對混合節(jié)流油膜軸承與毛細管節(jié)流油膜軸承的承載能力、油膜剛度、最小油膜厚度、流量的影響規(guī)律。④以伺服混合節(jié)流與毛細管節(jié)流油膜為研究對象,對比分析了尺寸誤差、形狀誤差對油膜軸承承載能力、油膜剛度、對象油膜厚度、流量、油膜力分布的影響;研究加工誤差對主軸位置精度、回轉(zhuǎn)精度的影響規(guī)律。⑤設計研制了實驗臺,進行了軸承誤差數(shù)據(jù)的測量和運動誤差的分離。通過對比研究仿真與實驗結(jié)果驗證了考慮加工誤差因素影響的油膜軸承的模型和分析方法的有效性和一致性。本文將加工誤差引入到油膜軸承性能分析中,豐富、深化了油膜軸承潤滑理論,提出的混合節(jié)流油膜軸承能較好地抑制和減小加工誤差對軸承性能的影響。論文研究成果對于開發(fā)適用于中低速、重載、高精度油膜軸承提供了重要的參考價值及理論依據(jù)。
[Abstract]:With the development of rotating equipment toward high speed, heavy load and precision, the precision requirements and operating environment of the equipment put forward higher requirements for the performance of oil film bearing as an important supporting component. In order to improve the performance of the bearing, a small clearance must be adopted between the bearing and journal, which makes the errors produced in the manufacturing process of the bearing in the same order of magnitude as the thickness of the oil film of the bearing and significantly affects the performance of the oil film bearing. In order to reduce the influence of machining error, a servo hybrid throttling oil film with controllable throttling is proposed, which combines traditional throttle with servo throttling to reduce the influence of machining error. In order to improve the performance of bearings, a servo active control technique based on genetic algorithm is introduced to optimize the parameters of PID controller. The hydraulic resistance of oil cavity is adjusted to control the oil pressure in the oil cavity to improve the performance of bearings. The dynamic characteristics of film bearing and hybrid throttle oil film bearing are studied. The influence of machining error on bearing performance and the effect of machining error on position accuracy and rotation accuracy of spindle are studied. A method which can not only reduce manufacturing cost but also improve bearing performance is sought to provide basis for bearing performance analysis and design. The results are as follows: 1. Based on the basic lubrication theory of traditional oil film bearings, considering the influence of machining error factors on oil film bearings, the expressions of dimension error and shape error are established, and the cumulative effect mathematical model of machining error on bearing performance is established. (2) Hybrid throttle oil film bearing system is constructed. Hybrid throttle oil film bearing control system and PID controller parameter optimization model are established. Oil film force and spindle in oil film bearing cavity, oil cover and spindle are deduced according to fluid lubrication and loading mechanism. A mathematical model for the performance analysis of hybrid throttle film bearings is established. The parameters of the PID controller of the bearing control system are optimized by genetic algorithm. The influence of operating conditions (load, rotational speed, viscosity) on the bearing capacity, oil film stiffness, minimum oil film thickness and flow rate of hybrid throttle oil film bearing and capillary throttle oil film bearing under loud condition is studied. The influence of machining error on spindle position accuracy and rotation accuracy is studied. _The experimental platform is designed and developed, and the measurement of bearing error data and the separation of motion error are carried out. The simulation and experimental results verify that the machining error is considered. In this paper, machining errors are introduced into the performance analysis of oil film bearings to enrich and deepen the lubrication theory of oil film bearings. Hybrid throttling oil film bearings can better restrain and reduce the influence of machining errors on bearing performance. It provides important reference value and theoretical basis for developing medium and low speed, heavy load and high precision oil film bearings.
【學位授予單位】：重慶大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2015
【分類號】：TH133.3

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