新型行波挤压膜轴承及其性能的研究

发布时间：2018-04-10 14:51

  本文选题：非接触流体润滑 + 蠕动传输　； 参考：《哈尔滨工业大学》2014年博士论文

【摘要】：非接触流体润滑轴承由于其摩擦副没有机械接触,具有运动精度高、摩擦低等优点,在精密及超精密机械,例如:精密及超精密加工中心、液晶面板和晶圆传送机构等设备中有着广泛的应用。传统非接触流体润滑轴承包括静压和动压轴承两大类。静压轴承需要外部压力装置,结构庞大、自重高,限制了其在紧凑型设备和载荷敏感领域的应用;动压轴承不需要外部压力装置,但承载能力受到轴承转速的影响,特别在启动和停止阶段,无法承受外载荷。为了克服轴承体积和性能之间的矛盾,1964年,Salbu首次开发出了挤压膜气体轴承。挤压膜气体轴承不需要外部压力装置且其承载能力不受摩擦面相对速度的影响,但其已开发的样机承载能力均较为有限,特别是液体挤压膜轴承无法实现非接触润滑。为了提高挤压膜轴承的承载能力并实现液体挤压膜轴承,本文首次将行波蠕动传输原理应用于润滑液膜,提出了一种新型的行波挤压膜液体轴承,并通过仿真和实验研究了这种新型轴承原理的可行性及其性能。行波挤压膜轴承是基于流体的行波蠕动传输原理,利用弹性轴承面上传播的行波将润滑流体挤入轴承面和导轨面之间的间隙,由轴承间隙内的高压润滑流体将轴承上浮,并承受外载荷,从而实现完全的非接触润滑。为了从理论上验证行波挤压膜轴承的可行性,需要研究润滑流体在行波蠕动传输作用下的压力变化规律。行波挤压膜轴承的行波变形较为复杂、润滑流体流向封闭区域、润滑流体的流动方向随时间变化、润滑油膜或润滑气膜的厚度随着行波变形发生显著地变化、且轴承间隙的长度和高度的比值极大。因此,行波挤压膜轴承中润滑流体的流动十分复杂,难以建立润滑流体流动的解析模型。本文在考虑轴承原理与轴承结构的基础上,根据欧拉-伯努力梁变形理论建立了弹性轴承面上行波变形的数学模型;利用有限体积法,在考虑边界面移动和求解区域变形的情况下,基于可变控制体上的二维瞬时连续性方程和内维尔-斯托克斯方程,建立了行波挤压膜轴承中润滑流体流动的仿真模型。并使用开源计算流体力学(CFD)仿真软件open FOAM,基于C++语言,编写了行波挤压膜轴承中润滑流体流动的仿真模型和求解器。利用这一仿真模型可以对不同工作条件下的行波挤压膜轴承润滑油膜或气膜的流速与压力分布进行仿真分析,为后续轴承性能的仿真研究提供了研究工具。为了验证行波挤压膜轴承的可行性、并为该类轴承的设计提供理论依据,本文利用所建立的仿真模型和求解器,对行波挤压膜轴承中不同润滑流体的流动过程及其特性进行了仿真研究。仿真结果表明:行波挤压膜轴承可以产生周期波动的轴承浮力且轴承浮力的稳态值大于零。利用这一大于零的轴承浮力稳态值可以支撑外载荷,实现非接触流体润滑。行波挤压膜轴承浮力的波动将会引起轴承的微小振动,从而限制该轴承在精密及超精密设备中的应用。为了提高行波挤压膜轴承的精度,本文提出了一种利用调节电压将附加的挤压振动引入行波变形,来主动地控制轴承间隙的平均高度,以抑制轴承浮力波动的轴承稳定方法,并通过仿真实例证明了该稳定方法的可行性。在此基础上,对不同工作参数下的轴承浮力进行了仿真研究,获得了行波振幅、行波频率、轴承间隙高度和润滑液体粘度对轴承浮力稳态值的影响规律。本文的仿真研究结果为行波挤压膜轴承原理样机的搭建提供了技术指导。为了实际验证行波挤压膜轴承的可行性,本文设计了一种利用薄板式压电陶瓷驱动器的行波挤压膜轴承原理样机。通过有限元仿真软件Ansys对影响行波振幅的主要结构参数进行了优化设计。采用实时仿真器和高速电压放大器搭建了行波挤压膜轴承原理样机的驱动装置。使用激光共聚焦距离传感器,对轴承原理样机的轴承面进行了扫描检测,检测结果表明:轴承原理样机可以产生随着驱动电压变化向轴承内部传播的行波变形。利用这一行波变形可以实现润滑流体的蠕动传输。为了验证所开发的行波挤压膜轴承原理样机的可用性,本文首先对轴承原理样机的上浮性能进行了实验检测。实验结果表明:行波挤压膜轴承可以实现轴承上浮;但是由于轴承面和行波波形的误差,轴承在上浮时发生了显著的倾斜。轴承倾斜降低了轴承精度和承载能力。为了抑制轴承面和导轨面的不平行度,本文采用差动螺纹机构开发了轴承倾斜和轴承间隙高度的调整装置。为了验证所开发的仿真模型的正确性,本文实验研究了驱动电压、驱动频率和轴承间隙高度对轴承浮力稳态值的影响规律。实验结果与仿真结果较为符合。对轴承浮力的实验研究表明:轴承原理样机可以产生周期波动的轴承浮力且轴承浮力的稳态值大于零,基于这一大于零的轴承浮力稳态值可以支撑载荷,实现非接触轴承;但是由于浮力的周期波动,轴承存在大约数十纳米的周期振动。为了抑制轴承的周期振动以提高轴承的精度,本文实际验证了所提出的轴承稳定方法的实用性。实验结果表明:调节电压显著地降低了轴承原理样机的周期振动。
[Abstract]:In order to overcome the contradiction between bearing volume and performance , it is necessary to study the pressure law of lubricating fluid under the action of travelling wave . In order to overcome the contradiction between bearing volume and performance , the bearing capacity of the lubricating fluid is limited , especially in the starting and stopping stages . In order to improve the accuracy of the bearing , this paper presents a prototype of the bearing principle of the bearing principle prototype . The results show that the bearing principle prototype can produce the bearing buoyancy of the bearing principle prototype . The experimental results show that the bearing principle prototype can produce the bearing buoyancy of the bearing principle prototype .

【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TH133.3
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本文编号：1731666