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(jī)械中的重要部件之一。隨著精密、超精密技術(shù)的發(fā)展，對(duì)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(duì)提高氣體潤(rùn)滑剛度帶來(lái)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(diǎn)和熱點(diǎn)之一，屬于前沿問(wèn)題。本文開(kāi)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(jìn)型和自控制節(jié)流型氣體靜壓軸承作為研究?jī)?nèi)容，突出工程應(yīng)用的特色，將理論、實(shí)驗(yàn)及應(yīng)用密切結(jié)合起來(lái)。主要從結(jié)構(gòu)、參數(shù)改進(jìn)

2、和自控制節(jié)流兩個(gè)方面開(kāi)展研究工作。研究、設(shè)計(jì)了一類(lèi)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(guó)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(diǎn)開(kāi)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(jì)算和實(shí)驗(yàn)等方面研究了均壓槽通過(guò)二次節(jié)流效應(yīng)提高剛度的尺寸效應(yīng)及設(shè)計(jì)計(jì)算原則，給出帶有均壓槽軸承的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原則和性能數(shù)值分析方法。并給出三個(gè)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(lèi)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(shí)現(xiàn)無(wú)窮靜剛度軸承的4個(gè)特點(diǎn)：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(jià)值；Ⅲ．可變節(jié)流器可以設(shè)計(jì)成多個(gè)節(jié)流器組合成的多層次節(jié)流的組件；Ⅳ．表面壓力通過(guò)彈性薄膜承載面反饋，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，響應(yīng)快。 提出彈性可變截面均壓槽的概念。并以這個(gè)概念為核心提出了：用彈性環(huán)形薄板實(shí)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(shí)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(shí)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(gè)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(jì)算模型。設(shè)計(jì)了含有均壓槽氣體潤(rùn)滑軸承的計(jì)算模型和彈性環(huán)形薄板的有限差分?jǐn)?shù)值計(jì)算模型的耦合計(jì)算過(guò)程。并進(jìn)行了耦合計(jì)算，取得剛度明顯提高的計(jì)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(guò)程，取得成功，是進(jìn)一步提高運(yùn)算效率的重要算法之一。研制了新型氣體潤(rùn)滑推力軸承性能測(cè)試實(shí)驗(yàn)臺(tái)。這是一種精確且自動(dòng)化程度高的測(cè)試實(shí)驗(yàn)臺(tái)，具有自動(dòng)測(cè)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(shí)驗(yàn)臺(tái)所設(shè)計(jì)的新穎彈簧加載裝置，實(shí)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(dòng)、靜壓徑向軸承性能測(cè)試實(shí)驗(yàn)臺(tái)。這是一種精確且自動(dòng)化程度高的測(cè)試實(shí)驗(yàn)臺(tái)，具有自動(dòng)測(cè)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(shí)驗(yàn)臺(tái)所設(shè)計(jì)的可任意改變加載方向的加載裝置，使得檢測(cè)系統(tǒng)模塊大為簡(jiǎn)化，為實(shí)現(xiàn)高速動(dòng)靜壓運(yùn)轉(zhuǎn)測(cè)量打下基礎(chǔ)，數(shù)據(jù)采集自動(dòng)化程度高，精度便于控制。對(duì)被測(cè)軸承動(dòng)態(tài)特性的檢測(cè)表明，所研制的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)可以較準(zhǔn)確的檢測(cè)出軸承回轉(zhuǎn)過(guò)程中軸心的擾動(dòng)情況，為開(kāi)展高速軸承檢測(cè)打下了基礎(chǔ)。 實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明了新型軸承系統(tǒng)原理的正確性。對(duì)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(cè)結(jié)果表明：均壓槽的寬度、深度都能隨設(shè)計(jì)壓力的改變產(chǎn)生滿(mǎn)足控制要求的

7、尺度變化，說(shuō)明這種結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)、制造和檢測(cè)都是成功的。對(duì)彈性環(huán)形薄板實(shí)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(cè)結(jié)果表明：在檢測(cè)范圍內(nèi)軸承的剛度處處都比較高，達(dá)到k=100(N/μm)左右。有可能用于載荷變化較大的場(chǎng)合，有較好使用前景。對(duì)彈性環(huán)形薄板實(shí)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(cè)結(jié)果表明：在檢測(cè)范圍內(nèi)軸承的剛度變化較大，剛度最大處亦達(dá)到k=100(N/μm)左右。適用計(jì)量室等載荷變化不大