基于流固耦合分析的超高速微切削空气静压电主轴支承结构优化

第２１卷第６期２０２３年６月动力学与控制学报J O U R N A L O FD Y N AM I C SA N DC O N T R O LV o l ．２１N o ．６J u n ．２０２３文章编号:１６７２Ｇ６５５３Ｇ２０２３Ｇ２１(６)Ｇ００１Ｇ００２D O I :１０．６０５２/１６７２Ｇ６５５３Ｇ２０２３Ｇ０８４㊀２０２３Ｇ０６Ｇ０２收到第１稿,２０２３Ｇ０６Ｇ１８收到修改稿．∗国家自然科学基金资助项目(１１９３２０１１),N a t i o n a lN a t u r a l S c i e n c eF o u n d a t i o no fC h i n a (１１９３２０１１)．†通信作者E Ｇm a i l :q u y e g a o ＠s jt u ．e d u ．c n 流固耦合动力学与控制专题序∗瞿叶高１†㊀王琳２㊀张伟伟３(１．上海交通大学机械与动力工程学院,上海㊀２００２４０)(２．华中科技大学航空航天学院,武汉㊀４３００７４)(３．西北工业大学航空学院,西安㊀７１００７２)摘要㊀围绕管道流固耦合振动建模理论与方法㊁流致振动与控制㊁涡激振动抑制等研究主题,本专刊介绍了流固耦合动力学与控制领域的一些研究成果．关键词㊀流固耦合,㊀流致振动,㊀涡激振动,㊀振动控制中图分类号:O ３２２文献标志码:AP r e f a c e t o t h e S p e c i a l I s s u e :D yn a m i c s a n dC o n t r o l o f C o u p l e dF l u i d ＧS t r u c t u r e S ys t e m ∗Q uY e g a o １†㊀W a n g L i n ２㊀Z h a n g We i w e i ３(１．S c h o o l o fM e c h a n i c a l E n g i n e e r i n g ,S h a n g h a i J i a oT o n g U n i v e r s i t y ,S h a n gh a i ㊀２００２４０,C h i n a )(２．S c h o o l o fA e r o s p a c eE n g i n e e r i n g ,H u a z h o n g U n i v e r s i t y o f S c i e n c e a n dT e c h n o l o g y,W u h a n ㊀４３００７４,C h i n a )(３．S c h o o l o fA e r o n a u t i c s ,N o r t h w e s tU n i v e r s i t y o fT e c h n o l o g y,X i a n ㊀７１００７２,C h i n a )A b s t r a c t ㊀T h i s s p e c i a l i s s u e i n t e n d s t o p r e s e n t t h en e wr e s e a r c h p r o g r e s s e s o f t h e f i e l do f d yn a m i c s a n d c o n t r o l o f f l u i d Ｇs t r u c t u r e i n t e r a c t i o n s ．S p e c i a l t o p i c s i n c l u d i n g d y n a m i cm o d e l i n g m e t h o d s o f p i p e s ,f l o w Ｇi n d u c e dv i b r a t i o na n d c o n t r o l ,a n dv o r t e x Ｇi n d u c e dv i b r a t i o n c o n t r o l a r e c o n s i d e r e d ．K e y wo r d s ㊀f l u i d Ｇs t r u c t u r e i n t e r a c t i o n ,㊀f l o w Ｇi n d u c e dv i b r a t i o n ,㊀v o r t e x Ｇi n d u c e dv i b r a t i o n ,㊀v i b r a t i o n c o n t r o l序言流固耦合动力学是航空㊁航天㊁船舶㊁土木㊁海洋工程㊁轨道交通等领域重大工程和装备设计㊁建造及运行中关注的核心基础性力学问题之一．流体与固体的相互作用诱发的动力学问题不仅影响装备和工程结构的关键性能,还可能引起装备和结构的破坏失效,导致巨大的生命财产损失．如飞行器结构颤振㊁海洋立管涡激振动㊁土木结构风激振动㊁舰艇振动与噪声等诱发的安全和可靠性问题．流固耦合动力学系统具有显著的非线性特征,其动力学现象㊁内在机理与控制等研究受到学术界和工程领域的广泛关注[１－３]．近年来,随着力学与数学㊁材料科学㊁信息科学等深度交叉与融合,在流固耦合力学新现象和机理㊁理论分析㊁数值计算㊁实验技术以及动力学控制方法等方面促生了新的学科增长点,也取得了诸多研究突破．为了及时总结流固耦合动力学领域的最新研究成果,特组织 流固耦合动力学与控制 专刊,共包括９篇论文(含２篇综述论文),涉及流固耦合动力学建模理论与方法㊁管道流固耦合振动与控制㊁涡激振动抑制等研究领域．华中科技大学何毅翔等的«外流作用下管道流动㊀力㊀学㊀与㊀控㊀制㊀学㊀报２０２３年第２１卷固耦合非线性动力学研究进展»梳理了国内外学者在外流作用下管道振动领域的研究成果,重点分析了柔性管道分别在横向外流和轴向外流作用下的流固耦合非线性振动行为,从理论建模㊁仿真分析和实验研究等方面探讨了外部流体对管道动力学行为的影响机制,对当前国内外研究现状进行了简要的总结,并给出了这一研究领域仍存在的难点和挑战．天津大学唐冶等的«输流管道动力学与控制的最新进展»对输流直管/曲管㊁不同外形输流管道㊁复杂支承和约束输流管道㊁运动输流管道㊁内流和外流作用下输流管道㊁多相流输流管道㊁复合材料输流管道动力学特性及输流管道的振动控制等进行了回顾,并对管道流固耦合非线性振动力学模型降维㊁非线性动力学求解方法㊁输流管道宽频振动控制等挑战问题进行了展望．上海交通大学宿恒等的«大变形柔性管道两相流流致振动研究»针对柔性管道内段塞流引起的结构大变形流致振动问题,采用分区强流固耦合方法建立了面向大变形两相流输运管道的双向流固耦合数值计算模型,研究了不同气相表观流速下段塞流诱导的柔性管道大变形流致振动响应特性,分析了柔性管道的振动模态切换特性及管道的大变形振动对两相流流动特性的影响规律．上海大学高思禹等的«热环境中超临界黏弹性输流管道自由振动分析»以热环境中超临界自由振动的输流管道为研究对象,通过广义H a m i l t o n原理建立了两端简支受温度影响的输流管道的控制方程,基于复模态法和伽辽金法离散系统偏微分－积分控制方程,得到热环境下超临界输流管道的模态函数和固有频率,分析了温度增量及初始轴力对管道固有频率的影响规律．上海交通大学赵峰等的«含翼板浮式防波堤消浪性能分析»基于粘性流体理论,采用计算流体力学方法,对新提出的一种含翼板的箱型浮式防波堤和不含翼板的传统箱型浮式防波堤进行了数值模拟,对比分析了两种浮式防波堤的消浪效果㊁运动响应和流场特性．北京航空航天大学罗宸晟等的«涡激旋转下方柱小幅振荡模态的自由流线边界层理论模型»综合钝体绕流的自由流线与边界层理论,建立了流固耦合中方形柱体涡激旋转小幅振荡模态下的自由流线－边界层理论分析模型,并且通过浸没边界法进行数值仿真,分析了小幅振荡模态的主要驱动力,解释了出现周期性振荡的原因．西南石油大学高岳等的«弯曲柔性立管段塞流致振动实验研究»在气液两相流循环实验系统中开展了水动力段塞流诱导的悬链线型柔性立管振动响应测试,利用高速摄像非介入测试方法同步捕捉了柔性立管的振动位移与管内的段塞流动细节,研究了气液混合流速和气液比两个流动参数对柔性立管振动响应的影响,分析了振幅与振频的时空分布㊁管内液塞长度㊁压力波动的变化规律及它们间的内在联系．长沙理工大学罗楚钰等的«基于表面吸气的矩形截面涡激振动抑制及机理研究»采用数值模拟方法研究侧表面双气孔稳定吸气对宽高比为４:１的矩形柱体涡激振动的控制特性,分析了无量纲吸气流量对涡激振动抑制的影响机制和效果．中国核动力研究设计院刘理涛等的«小型模块化压水核反应堆堆内构件模态特性研究»以国内自主研发的小型模块化压水核反应堆堆内构件为研究对象,采用有限元法开展了反应堆堆内构件干模态和湿模态数值建模分析,获得了吊篮组件㊁压紧组件㊁压紧筒组件以及分流环板在空气和静水中的固有频率及相应的振型,并开展模态试验验证了数值模型的正确性．流固耦合动力学与控制的研究内涵和应用领域非常丰富和宽泛．受篇幅所限,本专刊所收录的论文还远不够全面,只能选取某些特定研究方向上的代表性问题进行展示．其他重要方向,如流固耦合动力学数值计算方法㊁实验技术㊁流致振动智能控制及其在航空㊁航天㊁船舶㊁土木㊁海洋工程㊁轨道交通等工程领域应用等研究还有待于进一步完善．参考文献[１]D OW E L L E H,HA L L K C．M o d e l i n g o ff l u i dＧs t r u c t u r e i n t e r a c t i o n[J]．A n n u a lR e v i e w o fF l u i dM e c h a n i c s,２００１,３３(１):４４５－４９０．[２]K AMA K O T IR,S H Y Y W．F l u i dＧs t r u c t u r e i n t e r a cＧt i o nf o ra e r o e l a s t i ca p p l i c a t i o n s[J]．P r o g r e s si nA e r o s p a c eS c i e n c e s,２００４,４０(８):５３５－５５８．[３]P AÏD O U S S I S M P．F l u i dＧS t r u c t u r eI n t e r a c t i o n s: S l e n d e r S t r u c t u r e s a n dA x i a lF l o w:S e c o n dE d i t i o n[J]．E l s e v i e r I n c．,２０１６２。

高速电主轴技术乔志敏 S1203027 摘要:通过阐述了高速电主轴的发展历程、高速电主轴的结构以及高速电主轴设计制造过程中的关键技术，分析了高精度、高转速电主轴对数控机床性能的影响。

实践证明，采用高速加工技术可以解决机械产品制造中的诸多难题，能够获得特殊的加工精度和表面质量，高精度高转速电主轴功能部件，对提高数控机床的性能具有极大的影响。

关键词：高速电主轴；高精度；数控机床Abstract: Based on the development of high-speed motorized spindle and the main str ucture of the motorized and the key technologies in the manufacturing process of high -speed motorized spindle, it analyzes the high precision, high speed electric spindle of influence on the performance of the numerical control machine. Practice has proved t hat high-speed processing technology can solve many problems in the manufacturing of mechanical products, and it can obtain special machining accuracy and surface qual ity. High precision and high speed motorized spindle features have a great impact on t he performance of CNC machine tools .Keywords: high-speed motorized spindle, high precision, CNC machine1.高速电主轴的现状与发展早在20世纪50年代，就已出现了用于磨削小孔的高频电主轴，当时的变频器采用的是真空电子管，虽然转速高，但传递的功率小，转矩也小。

超精密加工的机床设备摘要：超精密加工技术的发展直接影响整个国家的制造业发展，影响尖端技术和国防工业的发展。

机床是实现超精密加工的重要载体，机床的制造水平和研究水平便显得非常的重要。

本文在论述目前国内外超精密加工机床的现状的同时，介绍了国内外有代表性的几种超精密加工机床，并介绍分析了超精密机床的精密主轴部件、进给驱动系统、误差建模和补偿技术和数控技术。

关键词：超精密加工机床发展关键技术1.引言制造业是一个国家或地区国民经济的重要支柱，其竞争能力最终体现在新生产的工业产品市场占有率上，而制造技术则是发展制造业并提高其产品竞争力的关键。

精密和超精密加工技术是制造业的前沿和发展方向。

精密和超精密加工技术的发展直接影响到一个国家尖端技术和国防工业的发展，世界各国对此都极为重视，投入很大力量进行研究开发，同时实行技术保密，控制关键加工技术及设备出口。

随着航空航天、高精密仪器仪表、惯导平台、光学和激光等技术的迅猛发展和多领域的广泛应用，对各种高精度复杂零件、光学零件、高精度平面、曲面和复杂形状的加工需求日益迫切。

目前，国外已开发了多种精密和超精密车削、磨削、抛光等机床设备，发展了新的精密加工和精密测量技术。

最近几年，我国的机床制造业虽然发展很快，年产量和出口量都明显增加，成为世界机床最大消费国和第一大进口国，在精密机床设备制造方面取得不小进展，但仍和国外有较大差距。

我国还没有根本扭转大量进口昂贵的数控和精密机床、出口廉价中低档次机床的基本状况。

由于国外对我们封锁禁运一些重要的高精度机床设备和仪器，而这些精密设备仪器正是国防和尖端技术发展所迫切需要的，我们必须投入必要的人力物力，自主发展精密和超精密加工机床，使我国的国防和科技发展不会受制于人。

2.超精密机床的发展现状2.1国外超精密机床发展现状目前在国际上处于领先地位的国家有美国、英国和日本, 这3个国家的超精密加工装备不仅总体成套水平高, 而且商品化的程度也非常高。

高速磨削电主轴热-结构耦合有限元分析与仿真王鹏;李文斌【摘要】在高速磨削加工中,电主轴的热结构状态直接影响高速加工机床的加工尺寸精度和表面质量.这篇文章利用传统理论对高速磨削电主轴进行了热-结构耦合分析,分别计算热稳态下主轴各种边界条件,在理论研究的基础上结合有限元软件进行热-结构耦合仿真分析,得到电主轴热变形主要与电机损耗、轴承发热与冷却液系统有关的结论.这一结论充分说明引起电主轴变形的主要因素,为今后在试验中建立电主轴热补偿体系以及减少热变形提供了有力的理论支持.【期刊名称】《机械设计与制造》【年(卷),期】2016(000)012【总页数】4页(P146-149)【关键词】高速磨削电主轴;热-结构耦合;有限元;热变形;热补偿体系【作者】王鹏;李文斌【作者单位】太原理工大学机械工程学院,山西太原030024;太原理工大学机械工程学院,山西太原030024【正文语种】中文【中图分类】TH16;TH161高速加工技术作为当代先进制造技术中的一个主要发展方向，以高速度、高精度为主要特征，是继数控加工技术之后，传统切削加工技术中的有一次革命性的飞跃。

为满足高速磨削加工的需求，高速磨削电主轴得到逐步应用并成为了高速磨削加工中的核心部件。

作为核心部件，电主轴的加工稳定性和加工精度日益受到加工制造业的关注[1]。

电主轴处在高速加工过程时，电机和轴承会产生大量热量，引起主轴的热变形，如果不能有效的控制主轴的发热变形，将严重影响高速磨削机床的加工精度和表面质量。

因此，磨削电主轴的热结构耦合分析，是保证机床加工精度和表面质量的重要理论基础[2]。

2.1 热源分析与计算电主轴主要构件及其结构，如图1所示。

高速磨削电主轴内部热源主要有两个，一个是无外壳主轴电动机的损耗发热，另一个是轴承的摩擦生热。

2.1.1 无外壳主轴电机热量计算高速磨削电主轴使用无外壳内置电机，其定子和转子热量主要是电机损耗产生的。

本次试验用高速磨削电主轴的最高转速为15000r/min，额定转速为4500r/min，额定功率11kW，功率损耗率为25%，损耗功率为2.75kW。

203中国设备工程C h i n a P l a n t E n g i n e e r i ng中国设备工程 2021.05 （上）高速电主轴，即为内装式电机主轴单元，是数控机床的重要部件。

其是在机床主轴单元内部安装主轴电机，对主轴起到了驱动作用，由此促使电机和主轴成为一个整体。

要提高数控机床的运行效率，就要掌握高速电主轴技术要点，充分发挥其优势，同时，推进电主轴技术不断完善。

1 高速电主轴所具备的优点传统的数控机床上的主轴运行，在发挥电机驱动作用的过程中，主要是带动中间的变速装置和传动装置，诸如齿轮、皮带以及联轴节等，此为“机械主轴”，也被形象地称为分离式和直联式主轴。

与这种传统的主轴相比，电主轴具备的优点如下。

（1）主轴运行中，是通过内部安装的电机驱动的，不需要通过中间的变速装置和传动装置，其设计结构简单而且紧凑，能够提高运行效率而且精度很高。

在运行的过程中，不会产生很大的噪声，振动也非常小。

（2）将交流变频技术充分利用起来，在额定转速范围内，电主轴可以无级变速。

当机床运行的过程中，无论发生任何的工况，或者在负载变化的情况下，电主轴都有很好的适应性。

（3）内装电机运行中，能够控制闭环矢量，还可以按照控制命令有效调控功率，且能够灵活控制驱动装置运行速度、输出力矩等等。

电主轴可以满足各种大功率要求，诸如低速重切削大转矩的时候，或者高速精加工的时候，电主轴都能够很好地发挥作用，还可以实现准停，同时满足C 轴传动功能。

（4）电主轴可以高速运行，有良好的稳定性，动态精度较高，使数控机床切削的速度更高，加工的精密度也更高。

（5）由于电主轴的运行不需要经过中间传动环节，因此其平稳性更高，不会受到外来的冲击，主轴的轴承不需要承受很大的动负荷，精度寿命得以延长。

（6）电主轴使电机和主轴构成一个整体，形成一个单元，使电主轴可以系列化生产，形成一定的规模，而且生产更加专业化。

电主轴作为数控机床功能部件，也作为一种商品进入到市场中。

超高速干气密封微织构气膜润滑特性研究
刘暅豪;丁雪兴;徐洁;丁俊华;张志敏
【期刊名称】《流体机械》
【年(卷),期】2024(52)3
【摘要】针对航天航空领域,设备超高速、高压运转,干气密封稳定性问题,依据槽型织构优化设计,提出一种槽底微织构螺旋槽干气密封结构,以解决密封在超高速旋转过程中气膜稳定性问题。

基于气体润滑理论,建模、划分网格,再导入FLUENT软件对流场进行仿真模拟;改变工况参数和槽型结构参数后,在超高速、高压工况下,相比于普通螺旋槽,槽底微织构螺旋槽干气密封的动压效果有显著提升。

结果表明,槽深h_(g)=6μm,膜厚h_(0)=2μm,微织构槽深δ=2μm、微织构槽宽取3.97 mm,微织构槽位于螺旋槽底中间位置时,槽底微织构螺旋槽相比于普通螺旋槽可产生明显的动压效应。

【总页数】9页(P24-32)
【作者】刘暅豪;丁雪兴;徐洁;丁俊华;张志敏
【作者单位】兰州理工大学石油化工学院
【正文语种】中文
【中图分类】TH117.2
【相关文献】
1.静压干气密封微尺度气膜力学特性
2.螺旋槽干气密封润滑气膜特性的数值模拟
3.轴向微扰下干气密封螺旋槽润滑气膜的稳定性分析
4.衍生螺旋槽对超临界二氧化
碳干气密封微气膜稳态特性影响5.椭圆微织构结构参数对气膜浮环密封性能的影响
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液体动静压电主轴关键技术综述一、本文概述本文旨在对液体动静压电主轴的关键技术进行全面的综述。

液体动静压电主轴，作为一种高精度、高稳定性的主轴系统，广泛应用于数控机床、精密加工设备以及超精密制造领域。

本文将从液体动静压电主轴的基本原理、关键技术、应用领域以及发展趋势等方面进行深入探讨，以期为读者提供全面而深入的理解。

本文将介绍液体动静压电主轴的基本原理，包括其结构特点、工作原理以及与传统主轴的区别。

将重点分析液体动静压电主轴的关键技术，如液体动静压技术、电主轴驱动技术、高精度轴承技术等，并对这些技术的现状和发展趋势进行详细阐述。

本文还将对液体动静压电主轴在各个领域的应用进行概述，以展示其在现代制造业中的重要地位。

本文将展望液体动静压电主轴的未来发展趋势，探讨其在新材料、新工艺以及智能制造等领域的潜在应用，以期为我国制造业的转型升级提供有益的参考。

通过本文的综述，读者可以对液体动静压电主轴的关键技术有更加清晰的认识，为相关研究和应用提供有益的借鉴。

二、液体动静压电主轴的基本原理液体动静压电主轴是一种集成了液体动静压技术和电主轴技术的高精度、高刚度、高转速主轴装置。

其基本原理主要包括液体动静压原理和电主轴原理两部分。

液体动静压原理是基于帕斯卡定律和流体力学原理，通过特定的供油系统和油腔设计，使主轴在高速旋转时，主轴与轴承之间形成一层均匀、稳定的油膜，从而实现主轴的液体动压支撑。

这种支撑方式不仅可以显著降低主轴与轴承之间的摩擦，提高主轴的旋转精度和稳定性，还能有效吸收振动和冲击，延长主轴的使用寿命。

电主轴原理则是通过内置电机直接驱动主轴旋转，省去了传统的传动机构，从而实现了主轴的高速化、高精度化和高刚度化。

电主轴具有结构紧凑、重量轻、动态响应快等优点，能够满足现代高精度加工设备对主轴的高性能要求。

在液体动静压电主轴中，液体动静压技术和电主轴技术相互融合，形成了独特的工作原理。

一方面，液体动静压技术为电主轴提供了稳定、可靠的支撑，保证了电主轴的高速旋转精度和稳定性；另一方面，电主轴的高速旋转又促进了油膜的均匀分布和稳定形成，进一步提高了液体动静压技术的效果。

基于数控机床的高速电主轴结构分析摘要：笔者结合自己的具体工作，经过对数控机床中高速主轴的结构的分析和探讨，从轴承的技术设计到主轴的动平衡设计，在此基础上引出来超高速主轴的轴端设计的理论概念和方法，同时还给出了一些具体的优化技巧和改进措施。

关键词：电主轴超高速零传动笔者在实践中总结和发现，数控机床中的高速加工，其先决条件就是一定要确保主轴的值不能小于1×106。

研究表明，高速加工有着自身大功率、宽调速的特性。

要实现高速加工，最佳方法就是直接把主轴电机的转子、定子装入主轴组件，这样就会形成一个整体的电主轴，从而实现了主轴系统的“零传动”。

因为电主轴有着紧凑、惯性小、重量轻、动态特性好相对良好的优点，所以能够改善加工机床的实际动平衡，能够大幅度地消除了振动与噪声，因此，这种方式得到了高速切削机床行业的广泛关注。

由于电主轴工作过程中其转速相对比较高，所以在具体的结构设计和控制、制造过程都提出了严格的要求和实施范围。

比如主轴的动平衡、散热、支承、精密控制及润滑等。

1、主轴轴承的技术分析主轴轴承技术属于整个超高速主轴行业中的一个最重要的技术。

现在，在世界超高速机床行业，使用最为广泛的轴承形式就是动静压轴承、磁浮轴承和混合陶瓷轴承。

1.1 磁浮轴承磁浮轴承其实就是通过电磁力的作用，把整个转轴悬浮在相应空间的一种轴承，它的优点就是定子与转轴之间不出现任何的机械接触。

因为没有机械接触，所以转轴都能达到一个极值的转速。

它的结构特点就是磨损小、噪声小、能耗低、寿命长、无油污染、无需润滑，由于磁浮轴承属于可控的轴承，转子的具体位置完全可以自律，主轴阻尼和刚度都可以调整，这样在整个加工过程中是其他轴承无法替代的。

制约磁浮轴承广泛应用的主要原因有价格、发热以及复杂的控制系统等问题，所以很多只适用于一些特殊的场合。

1.2 动静压轴承动静压轴承属于综合了静压轴承和动压轴承两者优点的一种新型多油楔油膜轴承，它的优势就在于回避了静压轴承在高速运转下的发热和复杂的供油系统，防止了动压轴承停止与启动过程所发生的一些干摩擦，由于他的调速范围比较宽，有着良好的高速性能。

高速切削和其关键技术综述摘要高速切削已成为先进制造技术的一个重要发展方向。

高速切削的应用将提高加工精度和生产率。

本文介绍了高速切削的概念和特点，分析了高速切削的关键技术：机床技术、刀具技术和工艺技术，说明了高速切削在航空、汽车工业与模具制造等领域的应用，并展望高速切削加工技术未来的发展方向。

关键词：高速切削，关键技术，应用领域，未来展望Abstract:High-speed cutting technology has become an important development direction of advanced manufacturing technology.The application of high-speed cutting technologywill improve the machining accuracy and productivity.This paper introduces the concept and characteristics of high speed cutting, and analyzes the key technologies of high-speed cutting, including machine tooltechnology, cutting tool technology and process technology. It also illustrates the applications of the high speed cutting in the field of aviation, automobile industry and dies manufacturing, and prospects the future development direction of thehigh-speed cutting technology.Key words:high-speed cutting, key technologies, application fields, future prospect0. 引言自20世纪30年代，高速切削概念首次提出以来，高速切削加工技术经历了多年理论与实践的研究和探索。