崔朋威开题报告

北京工业大学学术型研究生

开题报告

学位级别：□博士 硕士

学号：S201101109

研究生姓名：崔朋威

指导教师姓名：蔡力钢教授

专业名称：机械工程

所在学院：机电学院

开题报告时间：2012.12.06

北京工业大学研究生院制表

注意：本表基本情况及报告正文由研究生本人填写，硕士不少于3000字，博士不少于5000字。

格式要求：正文文字部分为5号宋体、单倍行间距排版，A4纸双面打印装订。

开题报告评价部分分别由指导教师及专家组书写。开题报告会结束后一周之内将报告原件交院（所）研究生教学秘书处。

一、基本情况

报告正文

（一）选题依据与研究内容

1、选题依据（研究意义、国内外研究现状等）

1.1 课题的研究意义

机床工具工业是制造业的基础，重型数控机床主要用于大型、特大型零件加工，是为国防军工、航空航天、船舶、能源（火电、水电、核电、风力发电）、交通运输（铁路、汽车）、冶金、工程机械等主要工业支柱产业以及国家重点工程项目服务[1]，关系到我国国民经济发展与综合实力的战略物资，是国家高档数控机床与基础制造装备重大专项的重要组成部分。我国重型机床经过50多年的发展，形成了门类齐全、具有相当规模和一定水平的产业体系，产品技术日趋成熟，与国外产品的差距逐步缩小。但与国外先进水平相比仍有差距，自主创新能力不足，特别是高端重型数控机床，如具备高速度、高精度、复合柔性和多功能等特点的重型数控机床，仍严重依赖进口，这在某种程度上关系到国家的安全[2]。

为了满足重切和加工高精度的要求，国外发达国家从上世纪60年代就开始将静压技术用于重型数控机床，静压调节方式目前广泛采用可靠性好、装配维修方便的恒流式[3]。随着静压导轨和静压轴承技术、同步控制和运动补偿技术、五轴联动技术、大功率双摆角铣头和重型回转工作台的技术攻关相继突破，我国重型机床发展也达到一个新的高度[1]。静压支承进给系统采用液体静压轴承作为支撑，以静压油膜为工作介质，承载力高、刚度大、摩擦副间无磨损、油膜抗振性好，可克服爬行现象，运转灵敏平稳，因而被广泛应用于重型机床的支承进给系统中。同时，静压油膜具有误差均化作用，能够降低静压转台因制造和装配产生的误差。因此研究液体静压转台承载性能对数控机床的技术进步具有重要意义[4]。

静压转台是重型机床的关键部件，然而，静压转台常由于地基、底座和转台等的变形而导致支承油垫倾斜、油膜承载失效。本课题主要针对重型机床的静压转台进行研究。承载能力和油膜刚度是液体静压转台的2个最主要的性能指标。承载能力是指在一定油膜厚度下，油膜压力作用于被支承件表面所能负担的外载荷，油膜厚度必须使油垫和被支承件的表面互不接触。工作台承载能力的计算必须考虑到油腔静压和工作台结构变形的影响，同时还应考虑到底座变形对静压导轨的影响。本课题以静压支承理论为基础，综合考虑静压转台结构变形对承载能力的影响，从结构的角度分析承载失效的原因，对于提高重型机床的精度和稳定性至关重要。

1.2 国内外研究现状

液体静压支承在法国早已应用，但在本世纪中期，才逐渐引起人们的重视。1938年，美国一个大型光学望远镜转台采用了液体静压支承，在重大五百吨和每天一转的极低速情况下，只需1/12马力即可驱动，使这种新型支承在低速重载下显示出良好的性能[5]。1948年，法国工业界首先在工具机磨床上使用液静压轴承之后，液体静压支承技术就得到了广泛而深入的发展。现在已经应用于各种大重型、精密超精密、高速机床设备上的支承进给系统中。

液体静压转台是采用液体静压轴承作为支承，将转台主轴功能与电动机功能从结构上融为一体的功能部件，它集成了液体静压轴承技术、冷却密封控制技术和变频电动机技术等，其功能是带动工件实现精密/超精密旋转( 定位) 和精密加工[6]。静压转台的油膜具有误差均化效应，使得转台导轨能达到比自身加工精度更高的运动精度。静压转台根据供油方式的不同可以分为定压式和定量式。定压式静压转台需要节流器调节油腔中的压力，而定量式静压转台则需要向油腔中输入恒定流量的压力油，并在压力允许的范围内形成油膜。

按照课题的研究内容，分别介绍关于转台结构变形和承载能力分析的研究现状。

1.2.1静压转台结构变形

结构变形是一个很传统的分析对象，机床精度的提高都需要综合结构变形分析、热分析和其他相关因素。在转台结构变形方面，国内外的专家学者已经做了很多工作，简单归纳如下：（1）武汉重型机床厂的袁荣章[7]分析了某立车工作台、底座的结构变形原因，介绍了中心卸荷和圆周卸荷方法在减小结构变形方面的应用。并重点分析了中心卸荷和圆周卸荷方法在减小立车结构热变形和抵抗倾覆力矩方面的优越性，从而改善了导轨的工作条件，提高了机床的精度。

（2）华中理工大学的江洁等[8]在各油腔的静压相等的假设下，采用I-DEAS 分析软件对CKX53200型立车工作台静刚度进行有限元分析，考虑了四种工况（载荷作用在导轨中径处、载荷作用在内环与导轨中间位置处、工作台自重和静压载荷）下工作台导轨板的变形量，分析得到了工作台受载后导轨面的变形和工作台的承载能力与承载点的位置关系，提高了设计质量。

（3）华中科技大学的赵明等[9]提出一种计算刚性位移的方法，并提出了新的校正改进法，解决了工作台的静压－结构耦合迭代计算问题；并且无论工作台主轴z 向有无约束，该方法均可使用；在静压迭代求解过程中，采用有限元分析法对工作台导轨油腔处的变形进行计算；采用新方法进行重载重切、空载、轻载重切工况的静压求解迭代计算，均稳定收敛到指定的精度，验证了新方法的有效性和稳定性。计算中发现，因工作台刚性不足，若q 保持不变，即使加预载，空载或轻载时的油膜厚度也偏大；因此工作台的油膜厚度必须根据工件的重量，通过调整q 来进行。加预载结构则仅为防止工作台浮升过大的安全装置。

（4）Zhao Ming等[10]以某重型数控双柱立车横梁一滑座静压导轨为对象，进行了多油垫静压导轨油腔压力计算的学科建模与优化研究。首先，分析了目前的静压近似计算方法无法用于计算横梁一滑座导轨静压计算的原因，给出了较精确的基于油腔中心点共面/共线协调条件的近似计算方法。接着，用该新方法求得了横梁一滑座静压导轨的各油腔压力。在此基础上，以最大油腔压力为目标，以最大油腔封油边压力、最大油腔浮起压力、导轨最大变形为约束，建立优化模型，在isIGHT软件平台上依次用试验设计和模拟退火算法进行优化。优化前后的数据对比表明，最大油腔压力显著降低，与液压系统的匹配满足要求。

1.2.2静压转台承载能力分析

承载能力是静压转台特性的主要衡量指标之一，很多学者通过不同的理论和实验方法进行了相应的分析，简要归纳如下：

北京工业大学刘赵淼、张成印[11]采用数值的方法研究了不同边界条件（包括不同油膜厚度、油液黏度、油腔结构尺寸）以及不同转速下液体静压油腔内的流动状态和承载稳定性。

W.B.Rowe[12-13]针对静压推力轴承，分别以总功率最小和温升最小为优化目标，采用对理论公式进行变量分析的方法，给出了最佳的油膜厚度值和油腔的尺寸参数。

S.Xu[14]以功率消耗与承载力之比为优化目标，采用复合形法对径向轴承进行了优化设计，在求解目标函数时，采用了有限差分法，并采取了一系列减少计算量的方法，节省了机时。

上海工程技术大学的朱希玲[15]基于ANSYS有限元软件对静压轴承轴瓦结构进行了优化设计,在给定条件下,以承载能力最大为目标函数,对油腔的结构参数进行优化,其优化结果为静压轴承的改进设计提供了最优数据。

北京工业大学的金秋颖[16]运用Fluent中的UDF（自定义函数功能）分析了温粘和压粘效应对轴承承载力的影响。并研究了综合考虑温粘、压粘效应时流场内的压强分布。

哈尔滨工业大学的赵自强[17]对超精密机床气浮主轴进行了流固耦合分析，采用顺序耦合法，利用有限元软件ANSYS分别计算流体场和结构变形，经过反复迭代，直到流体场和结构弹性变形都趋于稳定状态，计算结束。

上海理工大学的卢华阳[18]等根据流体润滑理论及雷诺方程, 构建了导轨油膜压力的数学物理模型, 提出了运用有限元法进行油膜刚度及导轨承载能力的分析与计算方法。

孙学贇等[19]对液体静压导轨的承载能力和刚度进行了定性和定量分析，并提出了优化计算方法。