多油垫静压支承热场理论研究

重型数控装备静压支承均采用多油垫结构，静压支承发热是影响重型数控装备精度与效率的关键问题。针对多油垫静压支承发热导致润滑失效现象，基于计算流体力学、传热学、摩擦学等理论，建立变粘度下重型静压支承单个油垫上油膜相应的数学模型，包括粘温方程、流量方程、承载能力方程、摩擦力方程、摩擦功率方程、能量方程，通过耦合求解控制方程、计算机仿真，确定绝热状态下多油垫静压支承油膜温度分布即摩擦副表面温度分布。基于傅里叶定律、Newton冷却定律等理论，建立多油垫静压支承热传导模型，并引入热油携带因子概念，在综合考虑实际结构、工况和环境的前提下确定相应边界条件，对多油垫静压支承热场进行计算，同时确定静压支承相对速度、油腔压力、流量、回油槽尺寸对热油携带因子的影响。通过本课题的研究，揭示变粘度条件下压力、流量、转速及热油携带因子对热场的影响规律，为静压支承热变形研究提供理论基础。

多油垫静压支承高速重载的工况下，轴承本体及油膜温度随工作台转速的加快而升高，使承载油膜变薄，进而产生静压支承本体变形导致润滑失效，严重地制约了生产质量及生产效率的提高，限制了转速，成为静压支承技术发展迫切需要解决的关键技术课题。. 该项目建立了考虑多因素作用的静压支承单个油垫上油膜数学模型，推导出支承间隙油膜流量、支承承载能力、油膜刚度的控制方程，完成了多油垫静压支承工作介质粘温关系建立工作，并通过试验验证了所建模型的正确性。依据传热学的理论及典型实验，对静压支承的工作台和底座的导热结构进行合理的简化，并将复杂的筋板导热结构分解成筋板间复合导热的结构，建立相应的导热微分方程和边界条件。完成了多油垫静压支承旋转工作台多工况对流换热系数计算工作，包括自然对流、强制对流、自然-强制混合对流，为静压支承热场研究提供合理边界条件。基于润滑理论及有限体积法，利用计算流体动力学软件完成多油垫静压支承流场数值计算，探明了静压支承的润滑机理。通过对多油垫静压支承发热机理研究推导了多油垫静压支承热油携带因子方程，为静压支承油膜温度场计算提供理论基础。采用有限体积法数值模拟，并与理论解析和试验研究相结合的方法，系统地完成了多油垫静压支承温度场数值计算，并完成粘度、转速、腔深、流量对静压支承温升影响计算工作。基于静压支承间隙油膜温度场计算结果并利用数值模拟软件对导热微分方程组进行求解，设置合理的边界条件分别对工作台和底座的温度场进行数值模拟，针对采温困难的静压轴承工作台，设计非接触式采温实验，采用红外热像仪和点温计配合测量旋转中的工作台表面的温度分布，印证了工作台热集中规律。. 该研究揭示了多油垫静压支承间隙油膜的流动规律，探明了此类静压支承的失效机理，为工程实际中静压推力轴承设计、仿真分析及性能研究提供了理论依据。为类似结构的设计和性能预报有重要的指导意义，对于发展高速高效静压支承技术具有重要的科学意义。