三軸氣浮臺氣體球軸承靜態(tài)特性及渦流力矩的研究.pdf

1、靜壓氣體球軸承能夠提供三自由度低摩擦的運動工況，是衛(wèi)星三軸仿真氣浮臺的關(guān)鍵部件。球軸承的靜態(tài)特性及渦流力矩的大小直接影響三軸氣浮臺的性能指標。本文針對具有良好動態(tài)特性的環(huán)面節(jié)流靜壓氣體球軸承，通過理論分析和實驗驗證的方式，研究了靜態(tài)特性及制造安裝誤差對渦流力矩的影響，為球軸承的設(shè)計、制造及安裝提供了指導(dǎo)依據(jù)。主要研究內(nèi)容包括以下幾個方面：
　　給出了氣體球軸承三維模型的求解方法。考慮到球軸承氣膜厚度方向的尺度遠小于其他兩個方向的特

2、點，在網(wǎng)格劃分時，主要采用適合大縱橫比的六面體和棱錐形單元，并將結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格與非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格相結(jié)合，大大減少了網(wǎng)格的數(shù)量，提高了計算效率。利用有限體積法對三維穩(wěn)態(tài)可壓縮 Navier-Stokes方程進行離散，并將適用于可壓縮氣體的改進的SIMPLE算法用于離散方程的求解，得到了球軸承氣膜內(nèi)的壓力場和速度場。
　　給出了環(huán)面節(jié)流靜壓氣體球軸承靜態(tài)特性指標的計算方法，對球軸承的壓力分布、速度分布、承載力、靜態(tài)剛度和質(zhì)量流量特性進行了計算

3、分析。通過與基于經(jīng)典二維雷諾方程的有限元法的計算結(jié)果進行對比，驗證了本文提出的三維模型求解方法的準確性。研究了制造誤差對球軸承靜態(tài)特性的影響，結(jié)果表明在加工過程中應(yīng)盡量避免球頭尺寸的負偏差及長球面型誤差，可以適當存在球頭尺寸的正偏差和扁球面型誤差；可以適當存在球窩尺寸的負偏差和長球面型誤差，而盡量避免球窩尺寸的正偏差和扁球面型誤差。針對傳統(tǒng)環(huán)面節(jié)流靜壓氣體球軸承靜態(tài)剛度較小的缺點，提出了一種新型的高剛度過盈型環(huán)面節(jié)流靜壓氣體球軸承，計算

4、表明該軸承具有承載力大、靜態(tài)剛度高、耗氣量小等優(yōu)點。
　　研究了球軸承的制造安裝誤差對渦流力矩的影響。給出了渦流力矩的計算方法，對比了不同網(wǎng)格劃分方式的計算精度，分析了供氣孔的直徑和位置誤差、球頭圓度誤差及球窩的安裝誤差對渦流力矩的影響。研究表明現(xiàn)有加工條件可以滿足供氣孔的加工精度，但為達到球軸承的渦流力矩指標，球頭的加工和球窩的安裝精度很難保證。本文的研究為球軸承設(shè)計制造時公差的選擇提供了理論依據(jù)，為球窩的安裝提出了精度要求。<

5、br>　　提出了減小氣體球軸承渦流力矩的補償方法。對由于供氣孔加工誤差及球窩安裝誤差引起的渦流力矩，采用供氣孔獨立供氣的方式進行補償。對于球頭圓度誤差引起的渦流力矩，通過調(diào)整氣浮平臺的質(zhì)心位置進行補償。研究表明補償后的渦流力矩明顯減小。研究了氣體介質(zhì)及軸承工作點對渦流力矩的影響，結(jié)果表明以氮氣作為工作介質(zhì)可以使渦流力矩稍有減小，但成本較高，因此選用空氣作為軸承的工作介質(zhì)。并指出為減小球軸承制造誤差引起的渦流力矩，應(yīng)盡量選取供氣壓力低、中

6、心氣膜厚度小的工作點。
　　建立了承載力特性和渦流力矩實驗臺，對靜壓氣體球軸承的承載力特性、球窩安裝誤差引起的渦流力矩及獨立供氣對渦流力矩的補償進行了實驗研究。承載力特性的實驗結(jié)果與理論計算結(jié)果基本吻合，表明本文提出的環(huán)面節(jié)流靜壓氣體球軸承的承載力計算方法是正確的。設(shè)計制造了低成本的復(fù)合材料球窩，并成功應(yīng)用于渦流力矩實驗臺。在球窩安裝誤差引起的渦流力矩的實驗中，由于球軸承制造誤差的存在，導(dǎo)致實驗測得的渦流力矩大于理論計算值，但二者