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岩石力学试验机旋转压力室及其静压支承特性研究（硕士学位论文）,共102页。
中文摘要
岩石力学试验机是用来在实验室环境受控地再现地球深部岩石在压力、气液渗流、高温等多种物理条件耦合作用下的力学特性的设备。为了实现岩石试样破裂时特征的可视化,地学科学家希望利用压力室可以精密旋转的试验机,配合高能加速器CT成像和三维图像重构技术,观察到岩石破裂的条件与特性,为地下油气开采以及地震等研究提供新的依据。
为了使岩石力学试验机压力室能够精密地旋转,在压力室上下需釆用轴承,本文设计了旋转压力室的岩石力学试验机总体方案,讨论了旋转压力室驱动方式、传动方式以及避免岩石试样承受旋转扭矩的同步方案。研制了模拟样机,验证了方案的可行性。
在对模型样机实验测试以及齿轮传动应变分析发现,摩擦转矩对电机同步以及旋转精度的控制具有显著的影响。同时,大直径机械轴承的旋转跳动不满足光学成像的要求。为此,本文提出了将液体静压支承技术应用到岩石力学试验机上的方法。设计了可承受2000kN轴向载荷的压力室转台液体静压支承方案,提高了压力室旋转的平稳度,同时使得压力室旋转摩擦转矩从1152Nm降低到2.12Nm,这对驱动系统的控制起到重要的作用。
论文在静压支承设计的基础上,进一步研究了压力室静压支承的静态性能和动态性能。建立了液体静压支承静态特性的流量方程、承载力方程和刚度方程,研究了油膜厚度、油腔半径以及油腔深度等对液体静压支承承载力和刚度的影响。
建立了静压支承动态特性的传递函数,对液体静压支承动态特性进行了仿真分析,研究了敏感油路的体积、油膜厚度、初始油膜压力以及润滑油粘度对时域特性和幅频特性的影响。
岩石力学试验机旋转压力室采用静压支承,能够实现旋转过程中比机械轴承更低的跳动,旋转摩擦转矩显著降低,提高了旋转的平稳度,可以满足清晰成像的要求。静态性能和动态性能的仿真研究为静压支承参数的优化设计提供了一定的依据。
论文的研究结果对岩石力学试验机的研制提供了重要的设计基础,同时也对液体静压支承技术的发展具有重要的参考价值。
关键词:岩石力学试验机;液压;静压支承;摩擦力矩;静态性能;动态特性
目录
中文摘要 V
ABSTRACTvii
第1章绪论 1
1.1论文选题与课题来源 1
1.2课题背景和意义 1
1.3国内外相关技术领域研究历史与现状 2
1.3.1岩石试验机国内外研究历史与现状 2
1.3.2静压支承国内外研究历史与现状 4
1.4本文的主要研究工作 6
第2章岩石力学试验机结构设计… 7
2.1岩石力学试验系统结构和工作原理简介 7
2.2转台传动方案设计 8
2.2.1驱动方式选择 8
2.2.2传动方式选择 9
2.3渐开线直齿轮的建模和有限元分析 11
2.3.1渐开线直齿轮的建模 11
2.3.2有限元分析 13
2.3.3结果分析 15
2.4转台同步方案设计 17
2.5模拟样机的研制 19
2.5.1三轴压力室设计 20
2.5.2旋转供液供气 21
2.5.3模拟样机整体设计 21
2.5.4模拟样机的研制 24
2.6本章小结 25
第3章压力室转台支承方案设计 27
3.1回转支承方案 27
3.2推力滚子轴承方案 28
3.3液体静压支承方案 29
3.3.1液体静压支承的工作原理 29
3.3.2液体静压支承结构设计计算 31
北京交通人学硕十学位论文
3.3.3液体静压支承摩擦转矩计算 35
3.4气体静压支承方案 35
3.5磁力支承方案 36
3.6分析与比较 37
3.7采用液体静压支承的岩石力学试验机设计方案 37
3.8本章小结 39
第4章液体静压支承的静态性能分析 41
4.1液体静压支承静态性能的理论分析 41
4.1.1液体静压支承润滑机理研究 41
4.1.2液体静压支承静态性能数学模型 43
4.2流体力学的基本方程 45
4.2.1质量守恒方程 45
4.2.2动量守恒方程 45
4.2.3能量守恒方程 46
4.3液体静压支承静态性能的仿真研究 47
4.3.1计算模型的建立 47
4.3.2计算结果及分析 48
4.4本章小结 64
第5章液体静压支承的动态性能分析 67
5.1液体静压支承动态性能 67
5.2液体静压支承动态性能数学模型的建立 68
5.3液体静压支承动态性能的仿真研究 71
5.3.1模拟参数的选取设置 71
5.3.2液体静压支承动态稳定性分析 72
5.3.3液体静压支承的时域响应特性 73
5.3.4液体静压支承的频率响应特性 74
5.3.5不同参数对液体静压支承动态特性的影响 75
5.4本章小结 81
参考文献 85
作者简历 89
独创性声明 91
学位论文数据集 93
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