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高刚度空气静压轴承研究

作　者: 张君安
导　师: 方宗德
学　校: 西北工业大学
专　业: 机械设计及理论
关键词: 气体静压轴承自控制节流器均压槽高刚度有限差分
分类号: TH133.3
类　型: 博士论文
年　份: 2006年
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内容摘要

气体静压轴承是精密、超精密机械中的重要部件之一。随着精密、超精密技术的发展，对气体静压轴承的刚度、精度及稳定性都提出更高和更迫切的要求。由于气体的可压缩性，对提高气体润滑刚度带来很大的困难。因此，提高气体静压轴承的刚度是气体静压轴承研究领域的难点和热点之一，属于前沿问题。本文开展的研究工作以工程应用为最终目的，选择以传统改进型和自控制节流型气体静压轴承作为研究内容，突出工程应用的特色，将理论、实验及应用密切结合起来。主要从结构、参数改进和自控制节流两个方面开展研究工作。研究、设计了一类能有效提高气体静压轴承刚度的新型自控制节流轴承。本文在分析比较了国内外各种提高气体静压轴承刚度方法的基础上，以均压槽为重点开展了系统研究。以含有气腔的喷嘴孔节流的推力轴承为例，从理论分析、建立控制方程、数值计算和实验等方面研究了均压槽通过二次节流效应提高刚度的尺寸效应及设计计算原则，给出带有均压槽轴承的结构设计原则和性能数值分析方法。并给出三个成功应用的例子。应用等效网络法，系统地分析了各类成功的高刚度气体静压轴承的基本原理，总结出构思新型可变节流器实现无穷静刚度轴承的4个特点：Ⅰ．可变节流器应放置在承载气膜表面，这是气体轴承的特性所要求的；Ⅱ．可变节流器应是气腔内装型才有使用价值；Ⅲ．可变节流器可以设计成多个节流器组合成的多层次节流的组件；Ⅳ．表面压力通过弹性薄膜承载面反馈，结构简单，响应快。提出弹性可变截面均压槽的概念。并以这个概念为核心提出了：用弹性环形薄板实现可变截面均压槽、可变节流器复合作用的推力轴承结构；用弹性环形薄板实现可变截面均压槽与刚性均压槽相组合作用的推力轴承结构；用弹性薄板实现可变截面均压槽、可变节流器复合作用的径向轴承结构等三个具体的新型轴承。建立了弹性环形薄板的有限差分数值计算模型。设计了含有均压槽气体润滑轴承的计算模型和弹性环形薄板的有限差分数值计算模型的耦合计算过程。并进行了耦合计算，取得刚度明显提高的计算结果。探索了用多层网格法求解四阶偏微分方程(弹性薄板变形控制方程)的迭代过程，取得成功，是进一步提高运算效率的重要算法之一。研制了新型气体润滑推力轴承性能测试实验台。这是一种精确且自动化程度高的测试实验台，具有自动测试轴承间隙内的压力分布、承载力以及气膜厚度的功能。为实验台所设计的新颖弹簧加载装置，实现了连续、稳定的加载，且操作方便。研制了新型气体动、静压径向轴承性能测试实验台。这是一种精确且自动化程度高的测试实验台，具有自动测试轴承间隙内周向内压力分布、承载力以及气膜厚度、主轴转速和流量等功能。为实验台所设计的可任意改变加载方向的加载装置，使得检测系统模块大为简化，为实现高速动静压运转测量打下基础，数据采集自动化程度高，精度便于控制。对被测轴承动态特性的检测表明，所研制的实验系统可以较准确的检测出轴承回转过程中轴心的扰动情况，为开展高速轴承检测打下了基础。实验结果证明了新型轴承系统原理的正确性。对新型气体静压推力轴承的环形弹性均压槽弹性变形的检测结果表明：均压槽的宽度、深度都能随设计压力的改变产生满足控制要求的尺度变化，说明这种结构的设计、制造和检测都是成功的。对弹性环形薄板实现可变截面均压槽、可变节流器复合作用的推力轴承载荷特性的检测结果表明：在检测范围内轴承的刚度处处都比较高，达到k=100(N／μm)左右。有可能用于载荷变化较大的场合，有较好使用前景。对弹性环形薄板实现可变截面均压槽与刚性均压槽相组合作用的推力轴承载荷特性的检测结果表明：在检测范围内轴承的刚度变化较大，刚度最大处亦达到k=100(N／μm)左右。适用计量室等载荷变化不大、精度要求高的实验环境。

全文目录

摘要  4-6
ABSTRACT  6-10
主要符号表  10-12
目录  12-16
第一章绪论  16-31
  1.1 研究的内涵、目的及意义  17-20
    1.1.1 径向轴承静刚度的概念  17-18
    1.1.2 研究的目的  18
    1.1.3 研究的意义  18-20
  1.2 气体润滑轴承的发展概况  20-23
    1.2.1 气体润滑轴承的发展历程  20-23
    1.2.2 气体润滑轴承的主要研究方向  23
  1.3 高刚度气体静压润滑轴承的主要研究方法  23-29
    1.3.1 结构、参数改进型  23-24
    1.3.2 自控制型(self-controlled)  24-27
    1.3.3 主动控制型(Active-controlled)  27-29
  1.4 本论文的主要研究工作与特色  29-31
第二章设置均压槽提高气体静压轴承刚度的研究  31-58
  2.1 均压槽的二次节流效应分析  31-36
    2.1.1 气体静压轴承的工作原理  31-34
    2.1.2 均压槽的二次节流效应分析  34-36
  2.2 气体静压轴承数学模型的简介  36-38
    2.2.1 流体力学基本控制方程(Navier-Stocks)  36-37
    2.2.2 流体润滑基本控制方程--雷诺方程式  37-38
  2.3 边界条件  38-40
    2.3.1 速度边界条件  38
    2.3.2 压力边界条件  38-39
    2.3.3 流量边界条件  39-40
    2.3.4 对称边界条件  40
  2.4 带有均压槽的空气静压推力轴承性能数值分析  40-56
    2.4.1 控制方程及坐标变换  41-45
    2.4.2 均压槽的计算方法  45-47
    2.4.3 控制方程的差分化及边界条件  47-48
    2.4.4 其它性能的计算  48-49
    2.4.5 计算实例  49-56
  2.5 本章小结  56-58
第三章自控制节流高刚度轴承的工作原理  58-72
  3.1 通过可变节流器产生无穷静刚度的原理分析  59-61
  3.2 自控制节流高刚度轴承的原理方案研究  61-66
  3.3 高刚度轴承的新方案  66-70
    3.3.1 用弹性环形薄板实现可变节流器与可变均压槽复合作用的推力轴承结构  67-68
    3.3.2 用弹性环形薄板实现可变均压槽推力轴承的结构  68-69
    3.3.3 用弹性薄板实现可变节流器、可变均压槽用于颈轴承的结构  69-70
  3.4 本章小结  70-72
第四章新型高刚度推力轴承的静态性能分析  72-97
  4.1 弹性薄板变形的控制方程及边界条件  72-76
  4.2 新型推力轴承弹性薄板变形控制方程及边界条件  76-79
  4.3 弹性薄板变形控制方程及边界条件的离散化处理  79-85
  4.4 弹性薄板变形控制方程的数值分析步骤  85-86
  4.5 气体润滑的控制方程及边界条件  86-87
  4.6 气体润滑控制方程的数值分析原理  87-89
  4.7 气体润滑控制方程的数值分析步骤  89-91
  4.8 弹性薄板变形控制方程与气体润滑控制方程的耦合过程  91-92
  4.9 用多层网格法求解弹性薄板变形控制方程的探讨  92-95
  4.10 本章小结  95-97
第五章弹性薄板变形控制方程与气体润滑控制方程耦合的数值仿真  97-113
  5.1 设置边界条件和初始参数  97-98
  5.2 计算结果对比分析  98-101
  5.3 仿真数据分析  101-111
  5.4 本章小结  111-113
第六章气体静压润滑轴承的实验装置研制  113-132
  6.1 气体静压推力轴承的性能测试实验台的研制  113-117
    6.1.1 加载机构的工作原理  113-114
    6.1.2 气膜压力分布的测试原理  114-115
    6.1.3 主要零部件设计  115-116
    6.1.4 静压轴承气膜间隙厚度的测量原理  116-117
  6.2 气体静压径向轴承的性能测试实验台的原理方案  117-122
  6.3 气体静压径向轴承的性能测试实验台的结构方案  122-130
    6.3.1 驱动装置  122-123
    6.3.2 主轴部分  123-126
    6.3.3 径向气体轴承零件的精密加工和测量  126
    6.3.4 传感器选用  126-130
  6.4 本章小结  130-132
第七章气体静压润滑轴承的实验研究  132-152
  7.1 新型气体静压推力轴承的弹性均压槽性能测试  132-137
  7.2 新型气体静压推力轴承的承载性能测试  137-141
  7.3 气体静压径向轴承的性能测试方法  141-145
    7.3.1 实验步骤  141-143
    7.3.2 数据处理  143-145
  7.4 气体静压径向轴承的性能测试测试结果  145-149
    7.4.1 在不同偏心率下轴承的承载力测试  145-146
    7.4.2 在不同偏心率下轴承的承载力测试的实验值与理论值的比较  146-147
    7.4.3 在不同偏心率下主轴旋转情况分析  147-149
  7.5 本章小结  149-152
    7.5.1 推力轴承检验小结  150-151
    7.5.2 气体静压径向轴承实验台检验小结  151-152
第八章结论  152-155
参考文献  155-168
攻读博士学位期间发表的论文  168-169
致谢  169-170
附录1 流场的图形显示技术  170-174
附录2 均压槽弹性变形部分数据  174-178
附录3 弹性均压槽上压力分布的部分数据  178-182

高刚度空气静压轴承研究

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