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高刚度空气静压轴承研究

张君安  
【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。


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