气体静压轴承气锤振动机理分析与实验研究

发布时间：2017-09-19 17:08

  本文关键词：气体静压轴承气锤振动机理分析与实验研究

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【摘要】：气体静压支承具有摩擦功耗低、温升小和误差均化等优势,大幅度地减小了由于运动部件间摩擦、发热及变形引起的误差,实现了运动机构的精度由微米量级向纳米量级地提升,已成为精密和超精密加工装备的主流支承方式。但是气体静压支承内部气体流动引发的振动仍然不可忽视,特别是非稳态的气锤振动现象,将直接导致气浮支承结构丧失功能而无法正常工作,是制约气体静压支承结构实现大承载力、高刚度及高精度的关键因素之一,业已成为气体静压支承技术研究的热点与难点。因此,本文围绕此前沿课题,结合数值模拟和振动实验,研究了气体静压轴承气锤振动现象的产生机理和抑制措施,其研究内容和成果如下： (1)运用气体静压润滑理论,建立了气浮支承—气膜力学三维物理模型。数值模拟结果表明：对比二维模型,三维模型不仅能够更加精确的反应气膜间隙流场的分布规律,而且更能获取流场的三维微观特性,为气锤振动模型的建立提供参数支承； (2)构建了气体静压轴承气锤振动现象的数学模型,采用数值模拟方法,研究了气体静压轴承设计参数与气锤振动现象的内在关系,揭示了轴承设计参数与气锤振动现象的规律,进一步分析了气锤振动现象的诱因； (3)研究了气体静压支承系统的内部扰动源—气旋现象。获得了供气压力、气膜间隙、压力腔形状及结构参数等设计参数对气旋现象的影响规律性,阐释了气旋作为内部扰动源,如何诱使气膜流场与支承工作面产生流固耦合,导致气膜内部压力波动增强,诱发气浮支承系统发生共振,产生气锤振动现象的过程； (4)自行设计构建了实验平台,验证了气锤振动现象与气浮支承设计参数之间的内在规律性,证实了气膜内部压力波动导致系统共振,诱发气锤振动现象,并深入探寻了气锤振动现象的发生机理,提出了避免气浮支承结构发生气锤振动现象的方法。 本文通过数值模拟和振动实验的方法,阐述了气浮支承气锤振动现象的发生过程,揭示了气锤振动的产生机理,进一步研究了气浮支承内部扰动源和气锤振动现象与气体静压支承设计参数之间的规律性；探寻了如何抑制气旋现象和避免气锤振动现象发生的有效途径,并提出了控制气锤振动发生的措施,为精密、超精密气体静压支承的结构优化设计与制造提供理论依据。
【关键词】：气体静压支承 气锤振动 数值模拟 气旋现象
【学位授予单位】：中国工程物理研究院
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2013
【分类号】：TH133.36
【目录】：

• 摘要3-4
• Abstract4-8
• 第一章 绪论8-16
• 1.1 课题来源及研究背景8-11
• 1.1.1 课题来源8
• 1.1.2 课题研究的背景8-10
• 1.1.3 气体静压轴承存在的问题10-11
• 1.2 国内外研究现状11-13
• 1.2.1 国外研究现状11-12
• 1.2.2 国内研究现状12-13
• 1.3 气体静压轴承间隙内部流场数值模拟方法13-14
• 1.3.1 计算流体力学简介13
• 1.3.2 CFD软件应用于气体润滑轴承设计计算13-14
• 1.4 本文主要研究内容14-16
• 第二章 小孔节流气体静压止推轴承静态性能分析16-31
• 2.1 流体动力学控制方程16-23
• 2.1.1 Fluent守恒性流体控制方程16-17
• 2.1.2 控制方程的有限体积离散17-19
• 2.1.3 湍流运动控制方程19-21
• 2.1.4 SIMPLE算法求解离散方程21-22
• 2.1.5 基于FLUENT的气膜流场参数计算流程22-23
• 2.2 小孔节流气体静压止推轴承静态性能的数值分析23-29
• 2.2.1 小孔节流气体静压止推轴承静态性能23-24
• 2.2.2 流场数值模拟24-29
• 2.3 本章小结29-31
• 第三章 气锤振动模型建立及数值模拟31-42
• 3.1 气锤振动表征实验31-33
• 3.2 单自由度气浮支承系统振动方程33-35
• 3.3 振动系统的数值模拟35-41
• 3.3.1 数值模拟结果35-39
• 3.3.2 气锤振动影响因素分析39-40
• 3.3.3 气锤振动诱因分析40-41
• 3.4 本章小结41-42
• 第四章 小孔节流气体静压轴承气锤振动扰动源分析42-52
• 4.1 气旋现象及其影响42-44
• 4.1.1 气体静压轴承的气旋现象42-43
• 4.1.2 气旋现象的强度表征43
• 4.1.3 气旋现象的影响43-44
• 4.2 不同压力腔形状的气旋现象研究44-49
• 4.2.1 矩形压力腔的气旋现象44-45
• 4.2.2 圆形压力腔的气旋现象45-47
• 4.2.3 锥形压力腔的气旋现象47-49
• 4.3 不同压力腔形状对气浮支承性能的影响49-50
• 4.4 本章小结50-52
• 第五章 小孔节流气体静压轴承气锤振动验证性实验研究52-68
• 5.1 实验设计52-53
• 5.2 实验内容和实验条件53-54
• 5.2.1 实验内容53-54
• 5.2.2 实验条件54
• 5.3 实验结果与分析54-65
• 5.3.1 双排12节流孔气体静压止推轴承的气锤振动实验测试54-63
• 5.3.2 单排12节流孔气体静压止推轴承的气锤振动实验测试63-64
• 5.3.3 气体静压轴承气锤振动机理分析64-65
• 5.4 提高气浮支承稳定性方法探讨65-67
• 5.5 本章小结67-68
• 第六章 结论与展望68-71
• 6.1 结论68-69
• 6.2 技术创新点69
• 6.3 展望69-71
• 致谢71-72
• 参考文献72-76
• 附录Ⅰ 攻读硕士期间发表的论文76
• 附录Ⅱ 攻读硕士期间参加的学术活动76

【参考文献】

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本文编号：882856