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《中原工学院》 2017年
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圆柱体全局尺寸气膜厚度对气体静压轴承性能影响的研究

侯晓帅  
【摘要】:基于Fluent和Samcef软件,采用仿真方法对气体静压轴承的性能进行了研究。运用基于有限体积法的Fluent软件分析了具有不同几何误差的气体静压主轴和多孔质气体静压轴承的承载力与刚度值,并依据经验公式确定了具有对应于上述几何误差的不同全局尺寸的气体静压主轴的刚度。分析结果表明:由于几何误差引起气膜厚度的变化造成气压分布不均匀,当具有中凸-直线、中凸-圆弧和锥形等几何误差并控制在3μm以内时,几何误差对主轴和轴承其刚度值有所提高。基于几何误差得到的气体静压主轴的刚度值与基于全局尺寸得到的刚度值进行了比较。对于三种全局尺寸,基于最小二乘尺寸得到的气体静压主轴的刚度值较适合用于刚度值的评定。在上述气体静压主轴的刚度值分析的基础上,借助Samcef软件建立了多孔质气体静压轴承-转子系统模型,分析了其回转精度。通过对仿真结果进行处理,采用Matlab获取并显示气体静压主轴的回转轨迹。对基于几何误差和全局尺寸的气体静压主轴的回转精度的分析结果进行了比较;分析结果表明基于最小二乘尺寸得到的气膜厚度所确定的回转精度较适用于气体静压主轴回转精度的评定。最后,对气体静压主轴的刚度和回转轨迹进行了检测实验。本课题对超精密气静压轴设计和制造具有重要的实用价值。
【关键词】:气静压轴承 全局尺寸 几何误差 气膜厚度 刚度 回转精度
【学位授予单位】:中原工学院
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2017
【分类号】:TH133.36
【目录】:
  • 摘要4-5
  • Abstract5-10
  • 1. 绪论10-14
  • 1.1 课题研究背景及意义10
  • 1.2 国内外研究现状10-12
  • 1.2.1 气体静压轴承发展概况10-11
  • 1.2.2 气体静压轴承静态特性概况11-12
  • 1.2.3 气体静压主轴回转精度的发展概况12
  • 1.3 本文的主要研究内容12-14
  • 2. 气体静压主轴刚度与回转精度仿真模型的建立14-19
  • 2.1 刚度理论仿真14-16
  • 2.1.1 气静压轴承副物理模型及参数14-15
  • 2.1.2 仿真网格的划分15
  • 2.1.3 Gambit边界条件的设置15
  • 2.1.4 Fluent边界条件的设置15-16
  • 2.1.5 刚度的求解16
  • 2.2 回转精度理论仿真16-18
  • 2.2.1 轴承-转子系统模型及参数17-18
  • 2.2.2 定义模型属性18
  • 2.3 本章小结18-19
  • 3. 气体静压主轴刚度评价与分析19-48
  • 3.1 基于气体静压主轴几何误差对其刚度的仿真分析19-25
  • 3.1.1 基本参数与几何误差形态19-20
  • 3.1.2 仿真结果20-24
  • 3.1.3 原因分析24-25
  • 3.2 基于气体静压轴承几何误差对其刚度的仿真分析25-31
  • 3.2.1 基本参数与几何误差形态25-26
  • 3.2.2 仿真结果26-30
  • 3.2.3 原因分析30-31
  • 3.3 基于气体静压轴承副几何误差对其刚度的仿真分析31-36
  • 3.3.1 基本参数与几何误差形态31-32
  • 3.3.2 仿真结果32-35
  • 3.3.3 原因分析35-36
  • 3.4 基于全局尺寸对气体静压主轴刚度的评价36-38
  • 3.4.1 全局尺寸概述36
  • 3.4.2 全局尺寸评价结果36-37
  • 3.4.3 不同长径比的气体静压主轴刚度仿真分析37-38
  • 3.5 全局尺寸与气体静压主轴的几何误差的刚度对比38-41
  • 3.5.1 椭圆度的影响38-39
  • 3.5.2 圆柱度的影响39-40
  • 3.5.3 锥度的影响40-41
  • 3.5.4 正弦误差的影响41
  • 3.6 全局尺寸与气静压轴承的几何误差的刚度对比41-44
  • 3.6.1 椭圆度的影响41-42
  • 3.6.2 圆柱度的影响42-43
  • 3.6.3 锥度的影响43-44
  • 3.6.4 正弦误差的影响44
  • 3.7 全局尺寸与气静压轴承副的几何误差的刚度对比44-46
  • 3.7.1 椭圆度、锥度和正弦误差的影响44
  • 3.7.2 圆柱度的影响44-46
  • 3.8 位置误差的影响46
  • 3.9 气体静压轴承的动态性能46-47
  • 3.10 本章小结47-48
  • 4. 气体静压主轴回转精度评价与分析48-70
  • 4.1 理想情况的回转轴回转精度的求解48-50
  • 4.1.1 阻尼的计算48
  • 4.1.2 刚度的计算48-50
  • 4.2 基于全局尺寸下的气体静压轴回转精度分析50-55
  • 4.2.1 基于最小外接尺寸的回转精度分析50-52
  • 4.2.2 基于最小二乘尺寸的回转精度分析52-55
  • 4.2.3 基于最大内切尺寸的回转精度分析55
  • 4.3 基于全局尺寸与几何误差的回转轴回转精度分析结果对比55-67
  • 4.3.1 全局尺寸与具有锥度的回转轴回转精度对比55-59
  • 4.3.2 全局尺寸与中凸-直线误差的回转轴回转精度对比59-63
  • 4.3.3 全局尺寸与中凸-圆弧误差的回转轴回转精度对比63-67
  • 4.4 气膜厚度对回转精度的影响67-69
  • 4.4.1 气膜厚度值 8μm67-68
  • 4.4.2 气膜厚度值 12μm68-69
  • 4.5 本章小结69-70
  • 5. 气体静压主轴刚度和轴心轨迹实验分析70-73
  • 5.1 实验台70
  • 5.2 刚度值的检测70-71
  • 5.3 轴心轨迹的检测71-72
  • 5.4 本章小结72-73
  • 6. 结论与展望73-74
  • 6.1 结论73
  • 6.2 展望73-74
  • 参考文献74-76
  • 附录1:硕士研究生学习阶段发表论文和取得的成果76-77
  • 附录2:数据表77-83
  • 致谢83

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