高刚度空气静压轴承研究

发布时间：2020-04-15 20:33

【摘要】： 气体静压轴承是精密、超精密机械中的重要部件之一。随着精密、超精密技术的发展，对气体静压轴承的刚度、精度及稳定性都提出更高和更迫切的要求。由于气体的可压缩性，对提高气体润滑刚度带来很大的困难。因此，提高气体静压轴承的刚度是气体静压轴承研究领域的难点和热点之一，属于前沿问题。本文开展的研究工作以工程应用为最终目的，选择以传统改进型和自控制节流型气体静压轴承作为研究内容，突出工程应用的特色，将理论、实验及应用密切结合起来。主要从结构、参数改进和自控制节流两个方面开展研究工作。研究、设计了一类能有效提高气体静压轴承刚度的新型自控制节流轴承。本文在分析比较了国内外各种提高气体静压轴承刚度方法的基础上，以均压槽为重点开展了系统研究。以含有气腔的喷嘴孔节流的推力轴承为例，从理论分析、建立控制方程、数值计算和实验等方面研究了均压槽通过二次节流效应提高刚度的尺寸效应及设计计算原则，给出带有均压槽轴承的结构设计原则和性能数值分析方法。并给出三个成功应用的例子。应用等效网络法，系统地分析了各类成功的高刚度气体静压轴承的基本原理，总结出构思新型可变节流器实现无穷静刚度轴承的4个特点：Ⅰ．可变节流器应放置在承载气膜表面，这是气体轴承的特性所要求的；Ⅱ．可变节流器应是气腔内装型才有使用价值；Ⅲ．可变节流器可以设计成多个节流器组合成的多层次节流的组件；Ⅳ．表面压力通过弹性薄膜承载面反馈，结构简单，响应快。提出弹性可变截面均压槽的概念。并以这个概念为核心提出了：用弹性环形薄板实现可变截面均压槽、可变节流器复合作用的推力轴承结构；用弹性环形薄板实现可变截面均压槽与刚性均压槽相组合作用的推力轴承结构；用弹性薄板实现可变截面均压槽、可变节流器复合作用的径向轴承结构等三个具体的新型轴承。建立了弹性环形薄板的有限差分数值计算模型。设计了含有均压槽气体润滑轴承的计算模型和弹性环形薄板的有限差分数值计算模型的耦合计算过程。并进行了耦合计算，取得刚度明显提高的计算结果。探索了用多层网格法求解四阶偏微分方程(弹性薄板变形控制方程)的迭代过程，取得成功，是进一步提高运算效率的重要算法之一。研制了新型气体润滑推力轴承性能测试实验台。这是一种精确且自动化程度高的测试实验台，具有自动测试轴承间隙内的压力分布、承载力以及气膜厚度的功能。为实验台所设计的新颖弹簧加载装置，实现了连续、稳定的加载，且操作方便。研制了新型气体动、静压径向轴承性能测试实验台。这是一种精确且自动化程度高的测试实验台，具有自动测试轴承间隙内周向内压力分布、承载力以及气膜厚度、主轴转速和流量等功能。为实验台所设计的可任意改变加载方向的加载装置，使得检测系统模块大为简化，为实现高速动静压运转测量打下基础，数据采集自动化程度高，精度便于控制。对被测轴承动态特性的检测表明，所研制的实验系统可以较准确的检测出轴承回转过程中轴心的扰动情况，为开展高速轴承检测打下了基础。实验结果证明了新型轴承系统原理的正确性。对新型气体静压推力轴承的环形弹性均压槽弹性变形的检测结果表明：均压槽的宽度、深度都能随设计压力的改变产生满足控制要求的尺度变化，说明这种结构的设计、制造和检测都是成功的。对弹性环形薄板实现可变截面均压槽、可变节流器复合作用的推力轴承载荷特性的检测结果表明：在检测范围内轴承的刚度处处都比较高，达到k=100(N／μm)左右。有可能用于载荷变化较大的场合，有较好使用前景。对弹性环形薄板实现可变截面均压槽与刚性均压槽相组合作用的推力轴承载荷特性的检测结果表明：在检测范围内轴承的刚度变化较大，刚度最大处亦达到k=100(N／μm)左右。适用计量室等载荷变化不大、精度要求高的实验环境。
【图文】：

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附附附姗姗料料附附l州朴朴姗姗邢邢喇喇姗姗姗姗姗姗姗姗川相 +++姗姗姗姗姗姗姗姗姗}洲 FFF姗姗姗姗姗姗姗姗姗姗姗姗姗姗阳洲 {{{图2.8(a)物理平面r一0图2.8(b)计算平面￡一几平面图2一8网格划分及坐标变换Fig.2一 8MakingGridandspaeetransformation划分。在气腔区域网格加密，在均压槽区域网格最密，如图2.8(a)所示。显然，，所得到的网格为曲线网格。同时，即使是在直角坐标系中，对于这种不等间距的网格，使用有限差分法求解也不是最优，即迭代次数多，收敛速度慢，计算过程费时。为了使有限差分法适用于此类轴承，采取CFD的坐标变换，可将图2.8(a)物理平面上的不均匀网格变换为图2.8(b)计算区域上的均匀网格。变换关系为(￡，刁仅为坐标记号，与气体粘度无任何关系)(r

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压力梯度也随之降低，提高了承载力。但当均压槽深度与轴承间隙之比超过一定范围时(h、/h>8)，均压槽以内区域的压力接近于喷嘴流出压力，承载力也接近于最大值，增长趋缓。从均压槽槽宽对轴承性能影响的对比图2一13(b)中可以看出，由于槽宽度的增加，轴承承载能力也会由于槽内阻力的减小而得到提高。(2)由于均压槽深度或宽度的增加均会增加节流区域体积与气膜体积之比，从而产生气锤现象。因此设计时采用一个合适的参数是相当重要的。就本例而言，采用均压槽槽深h;二100脚，槽宽b;二250脚，轴承间隙h=10娜是适当的。c.算例三本例对轴系中的径向和轴向空气静压轴承的压力场进行了数值分析。主要针、、份一常常‘、\r卜卜 .....lll习习卜卜~下丫丫丫下下沈沈沈毖一‘ ‘ ‘ 巴巴巴一班班班班弓弓弓弓弓弓弓弓弓弓弓弓弓弓弓弓弓弓弓异异‘‘~-—护曰曰曰曰曰曰曰曰曰曰曰曰曰曰曰曰曰曰瓜瓜瓜 11111戮戮只只厂厂刁药尸尸刃飞飞口下 1111111编编布乍乍曰曰愕愕愕一一昆昆昆昆补补一书户户户图2一14精密轴系的照片图2一巧轴系的结构图Fig.2一 14Thephoto.ofPrecisionsPindlesystemFig.2一 15StruetureofPrecisionsPindlessystem对有多个供气孔的复杂流场，根据质量守恒原理，制定出每个供气孔出口压力边界条件逐轮修正的迭代路线，进一步计算出不同偏心率和供气压力下的压力分布、承载能力及流量。图2一14
【学位授予单位】：西北工业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2006
【分类号】：TH133.3

【引证文献】