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空气静压主轴热特性及动静态特性研究

空气静压主轴热特性及动静态特性研究

作者：郝梦娇哈尔滨工业大学

学位级别：硕士

空气静压主轴是超精密机床的主要部件之一,其性能直接影响机床的加工精度。通常,空气静压主轴由电机直接驱动。在主轴运行时,由于静压轴承气膜剪切摩擦损耗和电机损耗,导致主轴发生热变形,进而影响主轴部件的工作性能,有时甚至轴承结构... 详细信息

空气静压主轴是超精密机床的主要部件之一,其性能直接影响机床的加工精度。通常,空气静压主轴由电机直接驱动。在主轴运行时,由于静压轴承气膜剪切摩擦损耗和电机损耗,导致主轴发生热变形,进而影响主轴部件的工作性能,有时甚至轴承结构发生热膨胀使得轴承发生卡死故障。因此,研究空气静压主轴系统的热态特性以及温升对主轴动静态特性的影响规律,对于提高空气静压主轴系统的热稳定性具有重要的理论意义和实际价值。本文以空气静压车床主轴为研究对象,对主轴系统内部热源进行分析,计算了止推轴承和径向轴承的气膜剪切摩擦损耗,以及电机定子的铁损耗与铜损耗。对主轴系统各部件间的热传递方式进行了分析,并计算了主轴系统部件与空气、冷却水之间的传热系数。利用有限元分析软件,建立了稳态热-结构耦合仿真模型,研究了各转速下冷却水流量对主轴系统温度场及热变形的影响规律,以及供气温度对主轴转子温度场和热变形的影响规律。建立了瞬态热-结构耦合仿真模型,研究了主轴系统温度随时间的变化规律,分析了主轴监测点的温升情况,以及主轴转子前端面轴向变形随时间变化情况,得到了主轴转子达到热平衡的时间。利用FLUENT软件,对主轴系统的轴承气膜压力分布情况进行了仿真分析,研究了气膜厚度、供气压力和偏心率对止推轴承和径向轴承的承载力、刚度和耗气量的影响规律,并对比分析了温升对止推轴承和前后两个径向轴承的承载力和刚度的影响规律。利用有限元分析软件,建立了主轴转子-气膜系统的动力学仿真模型,采用弹簧单元模拟气膜刚度,对主轴转子进行了模态分析,得到了主轴转子的自由模态和工况模态,计算了主轴转子的临界转速,并对比分析了温升对主轴转子固有频率的影响规律。通过测量主轴系统特定点的温度随时间变化情况及热变形量,并与仿真分析结果进行对比,验证了所建立的热-结构耦合仿真模型的正确性,以及热特性仿真分析结果的有效性。同时通过力锤敲击法对主轴进行模态实验,得到了其固有频率,验证了主轴动态特性仿真分析结果的正确性。

关键词：空气静压主轴内部热源热-结构耦合热特性动静态特性

空气静压主轴组件测试实验台研制及回转误差分析

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空气静压主轴组件测试实验台研制及回转误差分析

作者：王月皎西安工业大学

学位级别：硕士

空气轴承在精密及超精密制造领域中应用广泛,其原因在于其精度高、低摩擦、污染小等特性。然而由于气体的可压缩性质所带来的稳定性问题以及空气静压轴承承载性能较低、刚度低的问题是空气静压主轴的主要问题。其中承载能力、气膜厚度... 详细信息

空气轴承在精密及超精密制造领域中应用广泛,其原因在于其精度高、低摩擦、污染小等特性。然而由于气体的可压缩性质所带来的稳定性问题以及空气静压轴承承载性能较低、刚度低的问题是空气静压主轴的主要问题。其中承载能力、气膜厚度、刚度,转速等参数成为影响轴系稳定性的关键要素。因此对于空气静压轴承的性能参数的测量对提高和改善轴承性能有重要意义。本文结合力学理论和流体力学知识,设计研制了一台空气静压主轴性能测试实验台,能够在该实验台上对被测空气静压主轴提供测试手段,对被测空气静压主轴进行实验研究。首先本文对空气静压主轴组件测试实验台主体方案设计到载荷施加方式的确定再到各零部构件的设计与分析,根据空气静压主轴的综合性能,确定空气静压主轴的测量参数;根据需要测量的参数对测量仪器的型号进行选择。将设计完成的零件,按要求绘制图纸,按照图纸进行加工制造,对标准件进行采买,并对零件进行装配调试。实验台各部分运行完好顺畅且不出现冲突干涉现象,能够较好的遵循实验原则。其次根据空气静压主轴的综合性能,设计一种适当的测量方案对其进测量,能够同时测量测试在不同供气压力下的气浮主轴的承载性能以及主轴径向加载对回转精度的影响。根据设计的测量方案,对被测主轴进行了承载性能测试和回转精度的测试实验,测得不同供气压力下的被测气浮主轴止推盘的承载性能以及实验气浮主轴的回转精度;最后对在实验中产生的误差进行分析,有效的提高测量精度。通过实验可以看出,空气静压主轴的轴向承载性能随供气压力的增大而增大,该测试方案能够适用于测量空气静压主轴的轴向承载特性;被测实验主轴的轴向回转精度稳定在0.5μm左右,在低转速下径向回转精度为0.45μm。

关键词：空气静压主轴实验台回转误差性能参数测试

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空气静压主轴角刚度仿真与测试

空气静压主轴角刚度仿真与测试

作者：周亮中国工程物理研究院

学位级别：硕士

空气静压主轴是超精密加工机床实现精密回转运动的关键部件,其支承性能对超精密加工机床的刚度和加工质量有重要影响。长期以来,对静压主轴的研究和设计主要集中在承载、径向刚度、轴向刚度、回转精度和热稳定性等方面。而对静压主轴的... 详细信息

空气静压主轴是超精密加工机床实现精密回转运动的关键部件,其支承性能对超精密加工机床的刚度和加工质量有重要影响。长期以来,对静压主轴的研究和设计主要集中在承载、径向刚度、轴向刚度、回转精度和热稳定性等方面。而对静压主轴的抗偏转能力研究不足,导致设计的静压主轴综合使用性能难以提高,机床加工质量难以达到期望的效果。本文针对上述问题,设计了 T型空气静压主轴气膜压力分布与角刚度仿真分析程序,实施了T型空气静压主轴偏转测量实验,系统研究了空气静压主轴偏转现象和角刚度的影响因素,从理论和实践上探究了空气静压主轴角刚度的原理和变化规律。本文的研究内容主要如下:（1）分析了静压支承的原理,构建了静压支承模型,论述了边界条件和节流方式。同时,从几何上推导出T型空气静压主轴的总偏转力矩与径向轴承和止推轴承的关系。（2）采用有限单元法离散和求解空气静压主轴气膜压力分布的雷诺方程,得出不同条件下的气膜压力分布状态和整个主轴的承载和偏转力矩,解决了空气静压主轴气膜跨尺度微偏转的数值仿真难题,并将该算法用MATLAB语言实现程序化,实现了对空气静压主轴气膜压力分布和角刚度的准确快速高效计算。（3）采用单因素变量法系统分析了空气静压主轴角刚度的影响因素,获得了角刚度随轴承结构尺寸和供气压力等因素的变化趋势,绘制了变化规律曲线图,为空气静压主轴基于角刚度的结构优化设计提供了理论基础。（4）设计和实施了 T型空气静压主轴偏转测量实验,解决了静压主轴角刚度精密测量问题,验证了支承模型和有限单元法仿真分析程序的正确性,揭示了角刚度对评价静压主轴抵抗偏转的重要意义。本文通过数值仿真和偏转实验,阐述了空气静压主轴角刚度的产生机理,分析了空气静压主轴角刚度随影响因素的变化规律,为空气静压主轴的结构优化设计,提高其综合性能提供了参考。

关键词：空气静压主轴角刚度数值仿真偏转性能

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空气静压主轴气膜的压强分布与动态特性分析

纳米技术与精密工程 2009年第5期7卷 459-468页

作者：安晨辉许乔张飞虎哈尔滨工业大学机电工程学院哈尔滨150001 成都精密光学工程研究中心成都610041

空气静压主轴的动态特性对机床加工精度影响很大,需要对主轴气膜的压强分布进行分析计算,从而分析其动态特性.通过对主轴在轴套内不同姿态时气膜压强分布采用无因次化压力膜雷诺润滑方程法进行有限元计算,得出不同姿态对应的坐标系各轴... 详细信息

空气静压主轴的动态特性对机床加工精度影响很大,需要对主轴气膜的压强分布进行分析计算,从而分析其动态特性.通过对主轴在轴套内不同姿态时气膜压强分布采用无因次化压力膜雷诺润滑方程法进行有限元计算,得出不同姿态对应的坐标系各轴向的轴承反力以及反力矩,并探讨工作区间的主轴刚度以及角刚度的近似值,建立主轴力学方程分析主轴重心运动轨迹;引入旋转欧拉方程研究主轴轴线偏转状态,讨论主轴不同几何参数时轴线稳定性;提出通过提高主轴径向主惯性张量与轴向主惯性张量比值(采用径厚比大的盘形主轴结构)的方法提高机床的加工精度.可以为主轴结构设计提供理论指导,并为求解主轴刀具运动轨迹提供方法.

关键词：空气静压主轴气膜压强分布雷诺润滑方程动态特性

稀薄效应下空气静压主轴动态特性分析及试验研究

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四川大学学报（工程科学版） 2016年第5期48卷 180-185页

作者：陈东菊董丽华周帅范晋伟北京工业大学机械工程及应用电子技术学院北京100124

针对微尺度下空气静压主轴的动态特性问题,建立了体现稀薄效应的主轴有限元模型,对主轴的模态、谐响应进行了研究。首先,基于有限元法对主轴进行建模,轴承部分采用Combin14弹簧单元建模。接着,通过扰动法得出稀薄效应下以及传统情况下... 详细信息

针对微尺度下空气静压主轴的动态特性问题,建立了体现稀薄效应的主轴有限元模型,对主轴的模态、谐响应进行了研究。首先,基于有限元法对主轴进行建模,轴承部分采用Combin14弹簧单元建模。接着,通过扰动法得出稀薄效应下以及传统情况下轴承的刚度、阻尼参数,将此参数替代主轴模态分析中采用的弹簧单元的刚度、阻尼参数,结合主轴实际工作状态,进而分析出两种情况下的主轴的模态结果。然后,对主轴进行谐响应分析,校核之前模态分析结果。最后,对主轴进行锤击模态试验,从而检验两种状态下的模态分析结果。实验结果表明:稀薄效应下分析所得主轴1阶固有频率值较试验测量值的误差只有3.6%左右,而传统情况下得出的1阶频率值的误差在15%左右,这对主轴系统以后的优化设计和精度控制方面具有一定的理论依据。

关键词：空气静压主轴稀薄效应模态分析动态性能

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空气静压主轴回转误差测量技术研究

空气静压主轴回转误差测量技术研究

作者：张明中国工程物理研究院

学位级别：硕士

机床是制造的母机,主轴的回转误差是影响机床加工精度的重要因素。在机床设计、制造、使用和维修过程中,提高主轴的回转精度是一项关键的技术内容。因此,机床主轴的回转误差测量和测量精度提高成为重要的技术问题。空气静压主轴是高精... 详细信息

机床是制造的母机,主轴的回转误差是影响机床加工精度的重要因素。在机床设计、制造、使用和维修过程中,提高主轴的回转精度是一项关键的技术内容。因此,机床主轴的回转误差测量和测量精度提高成为重要的技术问题。空气静压主轴是高精度主轴的代表,研究其回转误差的高精度测量和动态测量技术具有普遍的现实意义。在国内外相关文献研究的基础上,提出了三种误差分量（径向回转误差、轴向回转误差、角度摆动误差）确定主轴轴线空间位置偏差的一般主轴误差模型,为主轴回转误差系统完整描述提供了有效的方法,为测量技术研究奠定了好的基础。针对目前国家标准推荐的检验棒方法在实际应用中精度低的问题,论文以提高主轴回转误差测量精度为主要目标,系统地研究了基于标准球的测量方法（简称“标准球法”）。以标准球作为测量基准,较好解决了现场在位测量所需的高精度测量基准问题和检验棒（柱面）安装找正通用性差的问题。为获得更高的主轴回转误差测量精度,研究应用误差分离技术,显著降低了标准球对主轴轴线安装偏心和标准球圆度误差的不利影响。针对误差分离算法的精度问题,通过仿真实验验证了滤一次谐波能显著降低安装偏心对测量精度的影响,并且仿真了反向法、三点法、多步法的分离精度,结果表明反向法的误差分离精度最高。本文提出的双测头法是建立在反向法基础之上的误差分离方法,既具有反向法算法简单的特点,又能降低反向安装传感器所带来的位置误差,适合主轴回转误差高精度测量的需要。基于以上理论研究建立了实验平台,设计了简单有效的调偏心机构,在Labwindows/CVI语言基础上开发了包括误差分离算法等功能的多种软件模块,完成了单测头法主轴径向、轴向回转误差高精度静态测量实验和双测头法主轴径向回转误差动态测量实验:静态测量主轴的径向回转误差小于0.1μm,并得到陶瓷球的圆度误差为0.06μm,重复精度0.01μm;动态测量的主轴径向回转误差为0.5μm,重复精度为0.12μm,钢球圆度误差为0.35μm,重复精度为0.05μm;轴向回转误差值小于0.2μm。静态测量结果与圆度仪测量结果比对,偏差在合理范围内,动态测量受测头性能的影响,有一定的偏差。

关键词：空气静压主轴误差分离回转误差圆度误差偏心量

气动涡轮式表面节流空气静压主轴设计与动静态特性研究

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气动涡轮式表面节流空气静压主轴设计与动静态特性研究

作者：许泽先哈尔滨工业大学

学位级别：硕士

空气静压主轴是超精密加工机床的核心部件,其性能好坏是机床加工能力的关键影响因素之一。目前超精密气浮主轴多采用小孔节流轴承支撑和电机驱动,存在承载能力和刚度偏低、电机发热等问题,限制了主轴的加工能力。针对超精密车削或微铣... 详细信息

空气静压主轴是超精密加工机床的核心部件,其性能好坏是机床加工能力的关键影响因素之一。目前超精密气浮主轴多采用小孔节流轴承支撑和电机驱动,存在承载能力和刚度偏低、电机发热等问题,限制了主轴的加工能力。针对超精密车削或微铣削等无需角度定位、对转速稳定性要求不高的高速加工场合,气浮主轴采用表面节流轴承和空气涡轮可提升主轴性能。本文在设计气动涡轮式表面节流空气静压主轴结构方案的基础上,采用CFD仿真方法分析空气涡轮的气动性能和表面节流止推轴承的动静态性能,并通过实验验证轴承仿真模型的有效性,为主轴结构设计提供理论依据。根据所确定的性能指标设计主轴总体结构,并对表面节流轴承和空气涡轮进行详细的设计。采用Fluent中的多运动参考系模型对空气涡轮的气动性能进行仿真,得到涡轮的流场分布和机械特性曲线,并分析供气压力、喷管直径及叶顶间隙对涡轮气动性能的影响规律,根据仿真结果研究空气涡轮参数对其工作效率的影响,通过与现有产品进行对比评估所设计的空气涡轮效率。在建立表面节流止推轴承CFD仿真模型的基础上研究轴承参数对其静态性能的影响,采用单因素变化法分析三角形截面和矩形截面节流槽轴承参数对各自性能的影响规律,通过正交实验设计研究矩形截面节流槽轴承几何参数对其承载力影响的主次顺序。对比分析表面节流轴承和其他几种常见节流形式轴承的静态特性和流场的动态特性,研究不同节流方式轴承在承载力、刚度和流场气旋方面的异同点。采用摄动法结合动网格技术分析表面节流止推轴承的动刚度和阻尼系数随扰动频率的变化关系。在确定主轴制造工艺的基础上试制涡轮主轴样机,测试主轴止推轴承的承载能力和刚度,并与仿真结果进行对比,验证表面节流止推轴承CFD仿真模型的有效性。

关键词：空气静压主轴动静态特性表面节流空气涡轮

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高刚度卧式空气静压主轴优化设计

润滑与密封 2015年第5期40卷 104-107页

作者：夏欢赵午云张连新中国工程物理研究院机械制造工艺研究所四川绵阳621900

采用数值方法对高刚度卧式空气静压主轴进行优化设计,并通过实验进行验证。通过数学变换,将气体润滑Reynolds方程的一般形式变换成标准的椭圆型偏微分方程形式,再以MATLAB软件中的PDE工具箱为求解器,编制迭代计算程序,实现空气静压主轴... 详细信息

采用数值方法对高刚度卧式空气静压主轴进行优化设计,并通过实验进行验证。通过数学变换,将气体润滑Reynolds方程的一般形式变换成标准的椭圆型偏微分方程形式,再以MATLAB软件中的PDE工具箱为求解器,编制迭代计算程序,实现空气静压主轴的静态性能计算。分析结构参数对主轴性能的影响,得到最优的主轴结构参数;通过实验测试了优化后主轴的轴向和径向刚度,实验结果验证仿真方法的准确性。

关键词：空气静压主轴静态性能结构优化

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微小间隙空气静压主轴角刚度分析与实验

制造技术与机床 2016年第12期 40-44页

作者：周亮王宝瑞阳红中国工程物理研究院机械制造工艺研究所四川绵阳621900

通过综合气体运动方程、连续性方程和状态方程,建立小孔节流气体润滑主轴数学模型。采用有限单元法、超松弛迭代法和比例分割法对雷诺方程进行离散求解,解决了微小间隙空气静压主轴跨尺度微偏转的气膜压力分布数值计算难题。进行静态角... 详细信息

通过综合气体运动方程、连续性方程和状态方程,建立小孔节流气体润滑主轴数学模型。采用有限单元法、超松弛迭代法和比例分割法对雷诺方程进行离散求解,解决了微小间隙空气静压主轴跨尺度微偏转的气膜压力分布数值计算难题。进行静态角刚度测试实验,验证了所提方法的有效性。

关键词：空气静压主轴角刚度有限元分析小孔节流