局部多孔质气体静压轴承关键技术的研究

【摘要】： 气体静压轴承由于具有运动精度高,摩擦损耗小,发热变形小,寿命长,无污染等特点,在航空航天工业、半导体工业、纺织工业和测量仪器中得到广泛应用。本文在分析国内外气体静压轴承的基础上,以改善气体静压轴承的静态特性和稳定性为目的,通过理论分析、仿真计算和实验研究对局部多孔质气体静压止推轴承进行了研究,同时分析轴承的结构参数和工作参数对局部多孔质气体静压止推轴承工作特性的影响,为局部多孔质气体静压轴承的设计和工程应用奠定理论基础。 建立基于分形几何理论的多孔质石墨渗透率与分形维数之间关系的数学模型,该模型可预测多孔质石墨的渗透率,并可直观描述孔隙的大小对渗透率的影响。 本文在理论分析的基础上,建立局部多孔质气体静压止推轴承静态特性的数学模型,在此基础上,通过工程方法和有限元方法对所建立的模型进行求解。在采用有限元方法时,首先通过加权余量法,将二阶偏微分方程降为一阶,从而,降低了对插值函数连续度的要求,同时,方便采用有限元方法进行求解。 为了简便计算,本文直接将圆柱坐标系中的静压雷诺气体润滑方程转换到笛卡儿坐标系中进行研究,此种方法既避免了对于圆环气体轴承有限元求解时采用的保角变换,也避免了对于圆板气体静压轴承,由于半径等于0这个点存在,无法直接进行保角变换,还需要在半径等于0这点假设一个半径非常小的圆来进行压力分布的求解。 将计算流体力学中的FLUENT软件引入到气体静压轴承的研究领域,利用FLUENT软件对局部多孔质气体静压轴承进行仿真研究,可以免去对雷诺方程求解程序的编制,将精力集中在控制参数以及初始条件对轴承特性影响方面的研究,从而提高所研究问题的广度和深度。并且,更直观的表示气体在多孔质和气膜内的压力分布和流动速度等情况,同时也提高了计算精度。 采用小扰动和频域分析方法,对局部多孔质气体静压轴承的稳定性进行研究。通过小扰动方法将静压轴承的压力分布方程分解为静态压力分布方程和动态压力分布方程,然后,利用有限元方法分别对所建立的静、动态压力分布方程进行求解,求出气体静压轴承的动态刚度和阻尼,进而,对气体静压轴承的稳定性进行研究。 利用实验室原有的实验装置,进行局部的改造后,对多孔质石墨的渗透率和局部多孔质气体静压轴承的静态特性及稳定性进行实验研究。实验结果与有限元计算和FLUENT仿真结果较吻合,证明了有限元计算,FLUENT仿真的正确性。