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多孔质气体静压止推轴承关键技术研究

吴定柱  
【摘要】: 气体静压轴承是精密、超精密设备中的重要部件之一,具有精度高、无摩擦、无污染等优点。随着精密、超精密技术的飞速发展,对气体静压轴承的刚度、精度及稳定性的要求也不断地提高。与传统的小孔节流相比,多孔质节流具有高承载力、高刚度和高阻尼等优点,且已经受到国内外学者的关注。其中,多孔质材料渗透系数的测试方法及多孔质气体静压轴承性能的数值计算方法和测试方法是研究的难点。本文针对这一前沿课题展开研究工作,旨在探索多孔质材料渗透系数的测试方法和研究多孔质气体静压轴承静态性能的数值计算和测试方法。主要内容如下: (1)本文在考虑气体的可压缩性和气体在多孔质材料中的流动存在惯性损失影响的前提下,建立各向同性多孔质材料渗透系数的数学模型,提出了一种各向同性多孔质石墨渗透系数的测试方法。设计了一套实验装置,测量不同供气压力下的体积流量,计算得到多孔质石墨试件的渗透系数,并通过实验验证了该测试方法的可行性。 (2)本文从流体三维流动的基本控制方程出发,结合气体静压轴承实际工作情况,在一定的基本假设前提下,分别研究了全多孔质气体静压止推轴承和局部多孔质气体静压止推轴承静态性能的计算模型。 (3)本文应用基于有限体积法的FLUENT软件,依次对全多孔质节流和局部多孔质节流气体静压止推轴承进行了三维数值模拟计算,分析了轴承节流器的结构参数、多孔介质的特性参数以及工况参数对轴承静特性的影响,得出了相应的承载力、静态刚度和气体消耗量随气膜间隙变化的曲线,并提出了几点关于这两种不同节流形式气体静压止推轴承设计的建议。 (4)本文自行构建了气体静压止推轴承性能测试平台,分别对全多孔质石墨气体静压止推轴承、局部多孔质气体静压止推轴承和小孔节流气体静压止推轴承的静态性能进行了测试研究,并与数值计算结果进行了对比分析。实验结果与数值计算结果吻合较好,验证了数值计算方法的准确性。当供气压力为0.5MPa,多孔质材料其粘性渗透系数为7.877×10-15m2、厚度为10mm、直径为45mm、气膜间隙为3μm~5μm时,全多孔质气体静压止推轴承的最大静态刚度超过70N/μm。与具有相同工作面积的局部多孔质气体静压轴承和小孔节流气体静压轴承的测试结果相比,全多孔质气体静压轴承具有更高的静态刚度,具有很好的应用前景。 本文通过数值计算分析和实验研究,对多孔质石墨渗透系数的测试方法和气体静压止推轴承静特性进行探索,为多孔质石墨气体静压止推轴承的应用提供了技术支持。


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