静压气体轴承微幅自激振动特性分析及实验研究

发布时间：2017-04-28 18:08

  本文关键词：静压气体轴承微幅自激振动特性分析及实验研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：静压气体轴承因具有摩擦小、速度快、精度高、无污染、热稳定性好等突出优点而广泛应用于精密测量、超精密加工和微细加工等精密工程领域。随着加工和测量技术的持续发展，对运动定位精度的要求不断提高，但受轴承内非稳定气体流动的影响，静压气体轴承产生的纳米级宽频微幅自激振动严重制约着气浮运动系统精度的进一步提高。针对此问题，本文分析了静压气体轴承宽频微幅自激振动的内在机理，并进行了相应的实验研究，主要完成了以下几方面的工作： (1)采用大涡模拟分析了小孔节流静压气体轴承内气体流动特性，发现在节流孔出口附近的湍流区域内气体产生极其复杂的漩涡，气体压力和流速自漩涡中心向边缘逐渐变化，随着气体的流动漩涡不断产生和破裂，造成气膜内气体压力波动，导致承载能力快速改变，引起轴承产生微幅自激振动。同时，对比了环面节流与小孔节流静压气体轴承流场特性和气膜压力波动的幅值，证明了漩涡是导致静压气体轴承产生微幅自激振动的直接原因。 (2)分析了结构参数对小孔节流静压气体轴承气膜压力波动的影响，得到了轴承直径、节流孔直径和气腔深度等结构参数对轴承振动特性的影响。计算结果还表明，随着气膜厚度的增加，流场内气体压力波动的幅值先增大后减小，在超精密静压气体轴承设计时，应避免最大压力波动时的气膜厚度接近最大刚度时的气膜厚度，使轴承具有最佳刚度的同时，自激振动得到有效抑制。在此基础上，设计了带有扰流结构的小孔节流静压气体轴承，有效降低了气膜压力波动幅值。 (3)研究设计了杠杆加载，，极坐标平台实现传感器定位的静压气体轴承性能检测装置，该装置可提供连续加载力，并且不影响被测轴承的动态性能，克服了砝码加载方式不能提供连续加载力，气缸和弹簧加载方式影响被测轴承动态性能的缺点，极坐标定位平台避免了双轴联动的误差累积。同时，设计了基于ATmega16单片机的数据采集与控制系统，实现了气膜压力分布的自动测试。 (4)实验表明所设计的检测装置的性能较好，可以满足不同气膜厚度下承载能力、气膜压力分布等静动态特性的测量，达到了设计要求。在此基础上，利用该装置和Coco-80振动噪声分析仪测试了不同结构参数静压气体轴承的振动特性，实验与计算结果吻合较好，证明了所提出的静压气体轴承微幅自激振动机理的正确性。 通过本课题的研究，探明了静压气体轴承宽频微幅自激振动的内在机理，通过自行设计的检测装置实验证明了该理论的正确性；得出了轴承结构参数对轴承微振动的影响，并提出能够有效抑制自激振动的新型静压气体轴承，可为超精密静压气体轴承的设计提供一定的参考。
【关键词】：静压气体轴承 大涡模拟 漩涡 自激振动
【学位授予单位】：中国计量学院
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2013
【分类号】：TH133.36
【目录】：

• 致谢5-6
• 摘要6-8
• Abstract8-10
• 目次10-13
• 图清单13-15
• 表清单15-16
• 1 绪论16-25
• 1.1 课题研究背景与意义16-17
• 1.2 国内外研究现状17-23
• 1.2.1 气体润滑原理及气体轴承的分类17-18
• 1.2.2 静压气体轴承静态性能研究18-20
• 1.2.3 静压气体轴承动态性能研究20-21
• 1.2.4 静压气体轴承微幅自激振动机理研究21-22
• 1.2.5 空气静压止推气体轴承实验装置研究22-23
• 1.3 本文主要研究内容23-25
• 2 静压气体轴承微幅自激振动机理分析25-42
• 2.1 大涡模拟的数学模型25-29
• 2.2 静压气体轴承建模29-30
• 2.3 仿真与分析30-41
• 2.3.1 FLUENT参数设置30-31
• 2.3.2 小孔节流静压气体轴承流场特性分析31-38
• 2.3.3 环面节流静压气体轴承流场特性分析38-41
• 2.4 本章小结41-42
• 3 静压气体轴承结构参数对气膜压力波动的影响42-49
• 3.1 节流孔直径对气膜压力波动的影响42-44
• 3.2 轴承直径对气膜压力波动的影响44-45
• 3.3 气腔深度对气膜压力波动的影响45-46
• 3.4 一种低振动静压气体轴承的设计46-48
• 3.5 本章小结48-49
• 4 静压气体轴承性能检测装置结构设计49-59
• 4.1 气体轴承气膜压力测量原理49-50
• 4.2 检测装置总体结构50
• 4.3 加载机构50-53
• 4.4 运动定位平台53-57
• 4.4.1 运动定位平台结构设计53-54
• 4.4.2 运动定位平台受力分析54-57
• 4.5 步进电机选型57-58
• 4.6 本章小结58-59
• 5 数据采集与控制系统设计59-67
• 5.1 传感器选型59-60
• 5.2 控制器硬件设计60-64
• 5.2.1 ATmega16单片机简介61
• 5.2.2 控制器硬件结构框图61-62
• 5.2.3 A/D转换电路62-63
• 5.2.4 步进电机驱动电路63-64
• 5.3 控制器软件设计64-65
• 5.4 控制器调试65-66
• 5.5 本章小结66-67
• 6 静压气体轴承微振动实验分析67-75
• 6.1 静压气体轴承性能检测装置测试67-68
• 6.1.1 测试方法67
• 6.1.2 测试结果与分析67-68
• 6.2 气源压力稳定性检验68-70
• 6.3 静压气体轴承微振动测试70-74
• 6.3.1 气膜厚度对微振动的影响70-71
• 6.3.2 节流孔直径对微振动的影响71-72
• 6.3.3 轴承直径对微振动的影响72-73
• 6.3.4 气腔深度对微振动的影响73-74
• 6.4 本章小结74-75
• 7 总结与展望75-77
• 7.1 总结75-76
• 7.2 展望76-77
• 参考文献77-81
• 附录81-82
• 作者简历82

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前10条

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  本文关键词：静压气体轴承微幅自激振动特性分析及实验研究，由笔耕文化传播整理发布。

本文编号：333299