分布可倾瓦动静压轴承的热粘弹润滑模型与动力学性能调控机理研究

According to the stiffness and accuracy concerned by high-grade CNC machine tools, the tilting pad technology is introduced into the hybrid bearings, and a kind of distributed tilting pad hybrid bearing is proposed in this project. This project will conduct the theoretical and experimental researches on lubrication model and performance control mechanism for hybrid bearing, and focus on two scientific issues, “Thermal-visco-elastic coupling dynamics model on composited bearing with tilting pad of hydrodynamic pressure and hydrostatic cavities of hydrostatic pressure” and “Performance control mechanism of hybrid bearings among the feasible region of the position of tilting pad”. At first, the thermal-visco-elastic coupling lubrication model of new hybrid bearing is established. The influence laws of pivot positions of tilting pads on bearing performances are analyzed, and the equivalent load is used for quantitatively characterizing the performance control mechanism of tilting pads on hybrid bearing. The dynamic performance control models of hybrid bearing with the tilting pad pivot of springs or piezoelectric actuators are established, and the performance active and passive control mechanisms of bearing dynamic performance with different pivot structures are revealed. On this basis, the lubrication model and performance control mechanism of hybrid bearing are verified by experiments, and the bearing service performances are evaluated combined with the service condition data. This project will provide theoretical and technical foundations for the design and performance control of higher accuracy hybrid spindle systems, and also provide reference for the applied research in other fields of this kind of bearings.

针对高档数控机床主轴关注的刚度和精度问题，本申请项目将可倾瓦技术引入到动静压轴承中，提出一种分布可倾瓦动静压轴承。围绕“动压可倾瓦与静压油腔复合轴承的热粘弹耦合动力学建模”和“可倾瓦支点位置全可行域内的动静压轴承性能调控机理”两个科学问题，开展动静压轴承润滑模型和性能调控的理论与试验研究。首先建立新型动静压轴承的热粘弹耦合润滑模型，研究不同瓦块支点位置对轴承性能的影响规律，并用等效载荷来量化表征瓦块支点位置对轴承性能的调控机理；建立瓦块支点带弹簧和压电作动器的轴承动力学性能调控模型，揭示不同瓦块支点结构的轴承动态性能主被动调控机理；在此基础上对轴承润滑模型和性能调控机理进行试验验证，并结合服役状态数据对轴承进行服役性能评估。本申请项目的研究可为高精度动静压主轴系统的设计和性能调控提供理论和技术支持，同时为该类轴承在其它领域的应用研究提供参考依据。

本项目以高档数控机床的精密动静压主轴系统为应用对象，将可倾瓦技术引入到动静压轴承中，提出一种分布可倾瓦动静压轴承，由可倾瓦动压油膜和油腔静压油膜共同承载，实现动静压轴承的高刚度和高精度，以及轴承性能的可测可控。项目的主要研究内容和重要结果包括：1）提出了动压可倾瓦与静压油腔复合的三种可倾瓦动静压轴承的实施例结构方案，建立了动压油膜与静压油膜耦合的润滑模型，并获取了轴承的静动态性能规律。本研究内容是对动静压轴承的结构创新，通过结构、模型、性能的研究，为该类轴承后续的理论与试验研究奠定了基础。2）获取了可倾瓦支点位置对轴承性能的全面影响规律，建立了支点含预紧弹簧或压电作动器的轴承性能主被动调控模型，获取了可倾瓦支点与轴承性能之间的映射规律。本研究内容是对可倾瓦支点调控的机理研究，为可倾瓦动静压轴承的性能调控提供了理论和技术。3）提出了基于轴承正反动力学融合的动特性系数识别精度评估方法，分析了不同激振频率下传递函数测试误差对动特性系数识别精度的影响规律，获取了不同试验台参数下动特性系数的识别误差。本研究进展是对轴承动特性测试技术的拓展研究，支持轴承动特性的测试方法改进和试验台参数确定。4）完成了可倾瓦动静压轴承的润滑模型和性能调控的试验验证，包括瓦块性能调控的原理验证试验、轴承的动态性能测试，并在动静压主轴和静压转台试验装置上识别了刚度和回转精度。本研究内容是对理论和试验技术的全面验证，为可倾瓦动静压轴承的应用提供了技术和数据支持。本项目的科学意义在于提出了可倾瓦与静压腔复合技术的一类新的典型结构，这种解耦的结构是可倾瓦动静压轴承设计的新思路，基于此结构建立的润滑模型也是动静压轴承润滑理论的拓展，为更高精度动静压主轴系统的研制提供了理论与技术支持。本项目的预期指标均满足要求：发表学术论文10篇（含5篇SCI，2篇EI2），申请发明专利3项（2项已授权）；培养硕士研究生5名（4名已毕业）。