高速大功率全支承空气静压主轴动静态特性的有限元分析与实验研究

发布时间：2020-10-10 01:28

　　气体轴承技术是一种随着高科技的出现而发展起来的先进的实用技术,它具有几乎没有摩擦、无磨损、无污染、回转精度高,能在高温和低温工况下工作等特点,所以气体轴承在高速回转主轴和超精密主轴中有广泛的应用。高速大功率全支承静压主轴采用全新设计方法,以全支承空气静压轴承为支承,提高了空气静压主轴的静态刚度和承载能力。采用这种新型主轴形式可以将空气静压主轴的工艺范围从传统应用领域如高速钻削和磨削的精密加工,拓展到高速精密铣削和车削加工。本文采用有限元分析方法,对高速大功率全支承静压主轴的结构和动静态特性进行了深入的研究,具体包括: 1.高速大功率全支承静压电主轴的结构设计。本文主要研究了节流器的设计选型、轴承气膜间隙的计算和主轴电机的选择等。 2.高速空气静压主轴动静态特性的一维有限元分析。本文采用非线性弹簧模拟气体轴承,对主轴单元进行有限元建模,获得一种计算静态刚度的简单方法;本文还对主轴进行了动态分析:包括模态分析和谐响应分析,研究了空气静压主轴的固有频率、振型、最小动刚度,计算了主轴不同位置所发生的最大动态位移。 3.针对一维有限元分析空气静压主轴静态刚度计算精度不高的问题,本文提出一种新的分析方法——流固耦合分析。该分析方法是流体分析和固体分析相结合的一种方法,通过采用三维流体与实体建模来实现对主轴的静态刚度的分析,提高了计算仿真的精度。 4.建立了高速大功率全支承空气静压电主轴的静态刚度和动态测试实验系统,将电主轴静态和动态数据和理论计算结果作对比,验证了理论分析的可靠程度。 5.从轴承结构参数和轴承系统的布局两方面提出了两种改进方案,其中多支承改进型支承方案是对高刚度气体轴承支承方式的创新,提高了主轴的刚度。本文有两大创新点:第一,用流固耦合的分析方法分析空气静压主轴。第二,提出一种新型空气静压主轴支承方式——多支承改进型。
【学位单位】：广东工业大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2005
【中图分类】：TH133.35
【部分图文】：

结构图,磁浮轴承,电主轴,结构图

广东工业大学工学硕士学位论文滑结构还可以提高抗卡死的性能，从而使得其更适于在高速下工作3]l。滚动轴承支承的高速电主轴的典型结构如图1一1所示。图l一1瑞士BIAG公司滚动轴承电主轴Fig.l一1High一sPeedMotorizedSPindlewithrollbearingbySwitzerlnadIBAG图1一2HF200MA4OKW型磁浮轴承电主轴的结构图Fig.l一2HF200MA40KWMagnetieBearingSPindles(2)磁悬浮轴承随着高速主轴技术的发展，人们对主轴的转速和功率的要求进一步提高，传统的滚动球轴承的结构已经难以满足超高速、大功率电主轴的要求了，磁悬浮轴承的应用就使得这种超高速、大功率的主轴成为可能。这种电主轴的关键及其核心就是磁悬浮轴承技术，它主要是用在超高速大功率的机床上，转速一般在十万转/分以上，磁悬浮轴承电主轴的结构如图l一2所示。悬浮轴承支

变形图,单元空间,三维显示,主轴材料

基~多娜分奢妙龄蟋瞥触抓图3一6主轴静态特性的有限元分析模型Fig.3一6EFMModelnigofrSUrteUrtalAnyaisisofSPnidi图3一7BEAM188单元空间三维显示Fig.3一7们肚eedimensionshowofBexnal88DISPLACE卫EI可1.3llP二1SIEJ二8Tl】住二1D松<=.020552AN一班几丫72D0515:57:29图3一8主轴受载后的变形图Fig.3一8TrnasmuattionofsPnidieunderloda假定主轴材料为各向同性的线弹性材料，弹性模量EX=l.93ESMPa，泊松比PRxY二.027，主轴材料密度DNEs=7.86E一6kg/r恤3’将轴承的单排节流孔简化为一个弹

排气槽,气膜,压强分布

治龇椒ǘ愿咚倏掌釷惭沟缰髦岬木蔡噻匦越鈉蟹抡娣治?图4一3气膜和排气槽的边界条件和网格划分Fig.4一3Boundayrconditionsandmeshesofthegasfilmandexhaustgroove图4一4气膜和排气槽的压强分布Fig.4一4Pressuredisrtibutionofthegasfilmandexhaustgroove图4一4是气膜和排气槽的压强分布图，在这个图上可以很明显的看出，排气槽入口压强和环境压强是一样的，即气膜的出口压强与环境压强相同。因此，分析单个轴承部件在不同偏心下气膜和小孔处的压强分布的时候，本文将气膜的两端的压强设为环境压强。

【引证文献】