超精动静压气体磁悬浮混合轴承设计及动态特性研究

作     者：马添潇 

作者单位：东北林业大学 

学位级别：硕士

导师姓名：李树森

授予年度：2022年

学科分类：08[工学] 080203[工学-机械设计及理论] 0802[工学-机械工程] 080201[工学-机械制造及其自动化] 

主      题：动静压气体轴承 磁悬浮轴承 静态特性 动态特性 PID控制 

摘      要：气体轴承是目前为止精密度最好的轴承,可以满足超精度加工的需求,广泛应用于机械、航空、航天、微电子和国防工业等各种行业内。为提高气体轴承的工作性能,达到超精度的工作标准,本文设计了一种动静压气体磁悬浮混合轴承,并对其动、静态特性进行了仿真研究,同时对控制系统进行了研究。根据动静压气体轴承和磁悬浮轴承的不同工作特点,动静压气体轴承在回转精度达到微米级后,很难通过改变结构和加工精度进一步提高回转精度,将动静压气体轴承与磁悬浮轴承混合使用可以提高主轴系统的回转精度及稳定性。本文对动静压气体轴承、磁悬浮轴承形式和参数进行了设计,系统支撑元件采用两个带人字槽和轴向微通槽的动静压气体轴承和两个径向主动磁轴承构成,采用对称布局以提高轴承的角刚度。根据气体润滑理论推导出了带人字槽轴向微通槽动静压气体轴承的雷诺方程,并根据此方程利用有限元分析的方法对动静压气体轴承进行了静态特性研究,运用FLUENT对其静态特性进行仿真分析,通过改变人字槽深度、轴向微通槽深度、偏心率、气膜厚度、供气压力等参数,研究其对轴承刚度和承载能力的影响。根据扰动下的气膜厚度和气膜压力建立动态雷诺方程,求解动静压气体轴承的动态刚度和动态阻尼理论值。利用CFD的动网格技术进行仿真分析,通过改变主轴转速、供气压力、人字槽槽宽比和槽深比等参数,研究其对轴承动态刚度和动态阻尼的影响。对动静压气体轴承进行的动静态特性研究为改进轴承结构提供了理论基础。设计了动静压气体磁悬浮混合轴承的控制原理,建立了磁悬浮轴承的悬浮力数学模型,主轴系统控制采用PID的控制方法控制磁轴承,利用MATLAB语言对主轴控制系统进行仿真分析,利用Simulink对PID控制器进行仿真,验证了采用PID的控制方法控制主轴的可靠性。