高剛度空氣靜壓軸承研究.pdf

1、氣體靜壓軸承是精密、超精密機械中的重要部件之一。隨著精密、超精密技術(shù)的發(fā)展，對氣體靜壓軸承的剛度、精度及穩(wěn)定性都提出更高和更迫切的要求。由于氣體的可壓縮性，對提高氣體潤滑剛度帶來很大的困難。因此，提高氣體靜壓軸承的剛度是氣體靜壓軸承研究領(lǐng)域的難點和熱點之一，屬于前沿問題。本文開展的研究工作以工程應(yīng)用為最終目的，選擇以傳統(tǒng)改進型和自控制節(jié)流型氣體靜壓軸承作為研究內(nèi)容，突出工程應(yīng)用的特色，將理論、實驗及應(yīng)用密切結(jié)合起來。主要從結(jié)構(gòu)、參數(shù)改進

2、和自控制節(jié)流兩個方面開展研究工作。研究、設(shè)計了一類能有效提高氣體靜壓軸承剛度的新型自控制節(jié)流軸承。 本文在分析比較了國內(nèi)外各種提高氣體靜壓軸承剛度方法的基礎(chǔ)上，以均壓槽為重點開展了系統(tǒng)研究。 以含有氣腔的噴嘴孔節(jié)流的推力軸承為例，從理論分析、建立控制方程、數(shù)值計算和實驗等方面研究了均壓槽通過二次節(jié)流效應(yīng)提高剛度的尺寸效應(yīng)及設(shè)計計算原則，給出帶有均壓槽軸承的結(jié)構(gòu)設(shè)計原則和性能數(shù)值分析方法。并給出三個成功應(yīng)用的例子。

3、 應(yīng)用等效網(wǎng)絡(luò)法，系統(tǒng)地分析了各類成功的高剛度氣體靜壓軸承的基本原理，總結(jié)出構(gòu)思新型可變節(jié)流器實現(xiàn)無窮靜剛度軸承的4個特點：Ⅰ．可變節(jié)流器應(yīng)放置在承載氣膜表面，這是氣體軸承的特性所要求的；Ⅱ．可變節(jié)流器應(yīng)是氣腔內(nèi)裝型才有使用價值；Ⅲ．可變節(jié)流器可以設(shè)計成多個節(jié)流器組合成的多層次節(jié)流的組件；Ⅳ．表面壓力通過彈性薄膜承載面反饋，結(jié)構(gòu)簡單，響應(yīng)快。 提出彈性可變截面均壓槽的概念。并以這個概念為核心提出了：用彈性環(huán)形薄板實現(xiàn)可變截面均壓

4、槽、可變節(jié)流器復(fù)合作用的推力軸承結(jié)構(gòu)；用彈性環(huán)形薄板實現(xiàn)可變截面均壓槽與剛性均壓槽相組合作用的推力軸承結(jié)構(gòu)；用彈性薄板實現(xiàn)可變截面均壓槽、可變節(jié)流器復(fù)合作用的徑向軸承結(jié)構(gòu)等三個具體的新型軸承。 建立了彈性環(huán)形薄板的有限差分?jǐn)?shù)值計算模型。設(shè)計了含有均壓槽氣體潤滑軸承的計算模型和彈性環(huán)形薄板的有限差分?jǐn)?shù)值計算模型的耦合計算過程。并進行了耦合計算，取得剛度明顯提高的計算結(jié)果。探索了用多層網(wǎng)格法求解四階偏微分方程(彈性薄板變形控制方程)

5、的迭代過程，取得成功，是進一步提高運算效率的重要算法之一。研制了新型氣體潤滑推力軸承性能測試實驗臺。這是一種精確且自動化程度高的測試實驗臺，具有自動測試軸承間隙內(nèi)的壓力分布、承載力以及氣膜厚度的功能。為實驗臺所設(shè)計的新穎彈簧加載裝置，實現(xiàn)了連續(xù)、穩(wěn)定的加載，且操作方便。 研制了新型氣體動、靜壓徑向軸承性能測試實驗臺。這是一種精確且自動化程度高的測試實驗臺，具有自動測試軸承間隙內(nèi)周向內(nèi)壓力分布、承載力以及氣膜厚度、主軸轉(zhuǎn)速和流量等

6、功能。為實驗臺所設(shè)計的可任意改變加載方向的加載裝置，使得檢測系統(tǒng)模塊大為簡化，為實現(xiàn)高速動靜壓運轉(zhuǎn)測量打下基礎(chǔ)，數(shù)據(jù)采集自動化程度高，精度便于控制。對被測軸承動態(tài)特性的檢測表明，所研制的實驗系統(tǒng)可以較準(zhǔn)確的檢測出軸承回轉(zhuǎn)過程中軸心的擾動情況，為開展高速軸承檢測打下了基礎(chǔ)。 實驗結(jié)果證明了新型軸承系統(tǒng)原理的正確性。對新型氣體靜壓推力軸承的環(huán)形彈性均壓槽彈性變形的檢測結(jié)果表明：均壓槽的寬度、深度都能隨設(shè)計壓力的改變產(chǎn)生滿足控制要求的

7、尺度變化，說明這種結(jié)構(gòu)的設(shè)計、制造和檢測都是成功的。對彈性環(huán)形薄板實現(xiàn)可變截面均壓槽、可變節(jié)流器復(fù)合作用的推力軸承載荷特性的檢測結(jié)果表明：在檢測范圍內(nèi)軸承的剛度處處都比較高，達到k=100(N/μm)左右。有可能用于載荷變化較大的場合，有較好使用前景。對彈性環(huán)形薄板實現(xiàn)可變截面均壓槽與剛性均壓槽相組合作用的推力軸承載荷特性的檢測結(jié)果表明：在檢測范圍內(nèi)軸承的剛度變化較大，剛度最大處亦達到k=100(N/μm)左右。適用計量室等載荷變化不大