[发明专利]一种基于整体动力学模型的静压转台动态响应计算方法

说明书

技术领域

本发明属于静压转台分析领域，涉及一种单圈油垫支承的静压转台动特性建模与仿真计算方法，具体涉及一种考虑了油垫表面粗糙度及偏载的影响的静压转台动态响应的建模与仿真计算方法。

背景技术

静压转台（Hydrostatic Rotary Table）用有压力的流体使有相对运动的两个表面分开并借助流体静压来承载。由于运动副之间完全被油膜隔开，所以运动副间的摩擦力大大减小，同时其承载能力、运动精度与寿命却大大提高。正因为液体静压支承的诸多优点，所以它广泛的应用于重型机床并成为其关键部件之一。静压转台在使用过程中不可避免的会受到偏心动载荷，冲击载荷的作用，这些问题在重型静压转台中显得尤为明显，那么要解决这些问题首先就要求建立一个准确而全面的转台动力学模型；同时，静压转台的动态性能是转台的重要性能之一，建立转台的动力学模型，深入分析转台在动载作用下的响应对于转台的优化设计及转台综合性能的提升有重要作用。

国内外学者对静压支承技术进行了广泛、深入的研究。2012年3月发表在《工程力学》杂志第29卷第3期的论文“液体静压导轨转台轴向振动的动力学建模与分析”，建立了转台的轴向动力学模型，并进行了分析计算，但没有考虑偏载及粗糙度的影响，也没有考虑预压力的作用，而几乎所有的重型静压转台都设计有预压油垫来提供预压力，所以这一方法并不能反映转台的实际情况。公开号为CN102980755A的发明专利“一种定量式静压转台动静态特性实验装置”，公开了一种静压转台动静态特性的实验装置，对转台动力学的建模也仅考虑均载。公开号为CN103186698A的发明专利“一种重型机床静压转台动、静态性能仿真优化方法”，公开了一种利用ansys二次开发建立转台有限元模型，进而对转台进行仿真和优化的方法。该方法将油垫等效为非线性弹簧但没有考虑油垫非线性阻尼，没有考虑油垫粗糙度的影响。总之，关于转台的动力学建模虽各有特点，但考虑因素都不全面，没有综合考虑转台的各种影响因素建立转台的整体动力学模型，从而影响了转台响应的计算精度。

发明内容

本发明的目的是提供一种考虑粗糙度及偏载影响的静压转台动态响应的计算方法，该方法首先计算转台支承油垫及预压油垫的动态承载力，然后建立转台的整体动力学模型，最后通过数值方法计算转台的响应。将本发明应用于静压转台动态特性的仿真分析中，能够准确计算转台在偏心动载作用下的响应。

为了实现上述目的，本发明是采用以下技术方案：

步骤1，忽略转台自身的变形，即近似认为转台为刚体，认为转台的平均油膜厚度为h，转台在偏心外载作用下会发生倾斜，根据转台各油垫的分布位置计算各支承油垫的平均油膜厚度及预压油垫的平均油膜厚度。

步骤2，根据流体力学相关理论计算预压油垫及支承油垫在考虑挤压效应及表面粗糙度时的压力分布，之后对压力分布进行积分得到预压油垫及支承油垫的承载力；

步骤3，根据转台在外载作用时期所有受力及力矩平衡原则，建立转台的动力学平衡方程。转台的动力学方程为二阶非线性微分方程。

步骤4，根据数值分析的相关理论及龙格库塔法，应用matlab软件编写转台动力学方程的求解程序，最终得到方程的数值解，也就是转台的动态响应曲线。

与现有技术相比，本发明具有以下明显优势：

本发明基于流体力学及数值分析理论，建立静压转台的整体动力学模型，并采用数值方法求解出转台的动态响应。因为模型中考虑了转台承受偏载对转台特性的影响，也考虑了油垫粗糙度的影响，提高了转台整体动力模型和转台响应的准确性，对优化转台性能具有重要的指导作用。

附图说明

图1为静压转台结构简图；

图2为转台支承油垫结构简图；

图3为转台预压油垫结构简图；

图4为转台受力简图；

图5为本发明所涉及方法的流程图；

图6为本发明实例得到的转台响应曲线：（a）为转台承受不同阶跃均载时转台的响应曲线，（b）为转台在恒定阶跃外载不同偏距时的响应曲线，（c）、（d）分别为转台在恒定阶跃均载但取不同粗糙度值时的响应曲线。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明。

图1为单圈支承的静压转台结构简图，由转台、基座、支承油垫和预压油垫组成，转台自重为G，各油垫均由定量泵供油，其中支承油垫的供油量为Q₀，预压油垫的供油量为Q₁。