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作者：沈慧兴哈尔滨工业大学

学位级别：硕士

超精密加工技术在航空航天、精密仪器等领域发挥着越来越大的作用。其载体是超精密机床,机床的核心部件之一是超精密主轴,而主轴的性能主要取决于轴承的性能。空气静压轴承因其精度高,发热小,清洁无油污染等优点,得到了越来越广泛的应... 详细信息

超精密加工技术在航空航天、精密仪器等领域发挥着越来越大的作用。其载体是超精密机床,机床的核心部件之一是超精密主轴,而主轴的性能主要取决于轴承的性能。空气静压轴承因其精度高,发热小,清洁无油污染等优点,得到了越来越广泛的应用。目前对小孔节流空气静压轴承的研究最为完善,不过存在承载力、刚度低的问题。表面节流空气静压轴承静特性及稳定性均优于小孔节流,但目前研究较少,还未建立成熟的设计准则。本文以表面节流空气静压轴承为研究对象,利用流体仿真软件分析不同的结构参数及工作条件对止推轴承和径向轴承动静特性的影响,并设计实验验证了仿真分析结果的有效性,为表面节流空气静压轴承的设计与制造提供参考。基于表面节流空气静压轴承的工作原理,对轴承结构参数进行无量纲化处理,采用控制单一变量的方法,分析了轴承节流槽结构参数、气膜尺寸、工作条件对止推轴承和径向轴承承载力、刚度及耗气量的影响。轴承设计时重点关注节流槽的结构尺寸,在此基础上,通过综合多因素分析,提出了以静特性为设计指标的节流槽槽长比和槽宽比的设计范围,并分析了闭式止推轴承的静态特性。轴承设计在满足静态性能的同时还要考虑轴承动态性能。在静特性分析的基础上设计了一套表面节流空气静压轴系,并围绕所设计的轴系展开了动特性研究。以涡量为评价指标,分析了不同结构参数及工作条件下轴承气膜流场的气旋强度,进而反应不同条件下轴承的微振动情况。轴系工作时,转速主要影响径向轴承的性能。通过模态分析,得到了轴系的前六阶固有频率以及对应的振型,计算了空气静压轴系的临界转速,探究了转速对径向轴承承载力的影响,以及不同转速下平衡位置处转轴的偏位角以及偏心距。利用微扰动法结合动网格技术仿真计算得到了径向轴承在不同转速下的动刚度和阻尼系数。在此基础上,提出了轴系角刚度的仿真计算方法。以开式止推轴承为例,分析了节流槽参数及轴承内外径比值对轴承稳定性的影响,进一步限制了轴承参数的取值范围。设计制造了一套闭式表面节流空气静压止推轴承,对轴承的静刚度和稳定性进行测试,验证了仿真结果的有效性。分析了实验值与仿真值之间产生误差的原因,给出了表面节流空气静压轴承加工中的注意事项,为后续表面节流空气静压轴承的设计与制造提供指导。

关键词：空气静压轴承表面节流动静特性微扰动法动网格技术

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表面节流气体静压止推轴承的静态特性及实验研究

表面节流气体静压止推轴承的静态特性及实验研究

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作者：徐福鑫哈尔滨工业大学

学位级别：硕士

超精密机床主轴逐渐采用气体润滑取代传统的液体润滑。而静压气体轴承的节流方式主要为小孔节流,不过小孔节流存在承载力和刚度较低的问题,减小最佳刚度对应的气膜厚度以提高刚度和承载力是十分有效的方法,而小孔节流的结构限制了气膜... 详细信息

超精密机床主轴逐渐采用气体润滑取代传统的液体润滑。而静压气体轴承的节流方式主要为小孔节流,不过小孔节流存在承载力和刚度较低的问题,减小最佳刚度对应的气膜厚度以提高刚度和承载力是十分有效的方法,而小孔节流的结构限制了气膜厚度的降低。因此针对节流器结构的研究对于改善气体静压轴承静态特性十分有必要。本文以表面节流气体静压止推轴承为研究对象,利用微型表面节流槽代替小孔节流,目的是改善轴承静态性能。本文分别从解析解法和有限元解法进行求解气体润滑方程(N-S方程),旨在探究各因素对轴承静态特性的影响规律。针对圆盘表面节流止推轴承,假设气流沿径向均匀流动,根据等效节流面积原理计算出等效节流槽半径,进而推导出表面节流静压气体止推轴承静态特性的解析解,对节流槽的槽长、槽宽、槽深及槽数对承载力的影响规律进行研究。并采用有限元方法对止推轴承的气膜承载力及刚度进行验证。利用有限元法对可压缩的雷诺方程进行求解,建立表面节流止推轴承气膜模型,利用计算流体力学软件Fluent进行求解得到止推面的气体压力分布,在此基础上求解静承载力和静刚度等静态特性参数,对止推面节流槽的几何参数、布置形式及轴承不均匀气膜对静态特性的影响规律进行分析。进行表面节流气体静压止推轴承静态性能参数测试试验,加工不同类型沟槽的表面节流气体止推轴承,研制表面节流气体静压止推轴承的静态特性参数测量实验台,通过实验测量表面节流止推轴承的静态性能,对仿真结果的正确性进行验证。本文旨在为表面节流的节流槽设计提供指导,为复合节流方式提供理论支撑。

关键词：表面节流气体静压止推轴承静态特性有限元方法

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表面节流式动静压轴承的特性分析

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润滑与密封 2006年第6期31卷 135-137页

作者：康俊远广东轻工职业技术学院广东广州510300

从润滑原理入手,以经典的Reynolds理论为基础,使用有限差分方法,对表面节流式动静压轴承的压力场、结构参数对承载特性的影响进行了分析研究。结果表明:表面节流式动静压轴承在轴不旋转时具有明显的静压轴承特性;轴旋转时可以看到明显... 详细信息

从润滑原理入手,以经典的Reynolds理论为基础,使用有限差分方法,对表面节流式动静压轴承的压力场、结构参数对承载特性的影响进行了分析研究。结果表明:表面节流式动静压轴承在轴不旋转时具有明显的静压轴承特性;轴旋转时可以看到明显的油楔承载的动压效应;随着粘度的增大,轴承的承载力和刚度也相应增大,随着半径间隙的增大,承载力和刚度将显著的变小,供油压力的提高将会降低轴承的承载力和刚度,随着长径比的增大,刚度将有所提高。

关键词：表面节流动静压轴承承载力刚度

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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

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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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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扇形沟槽表面节流静压气体轴承的性能分析

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计算机仿真 2013年第4期30卷 243-247页

作者：李运堂蔺应晓朱红霞中国计量学院机电工程学院浙江杭州310018

关于气体轴承承载能力优化问题。为增大静压气体轴承的承载能力,提高轴承的刚度,设计了一种扇形沟槽表面节流式静压气体轴承,并运用计算流体力学软件Fluent计算轴承的性能,分析几何参数对轴承性能的影响。结果表明,在一定气膜厚度下,增... 详细信息

关于气体轴承承载能力优化问题。为增大静压气体轴承的承载能力,提高轴承的刚度,设计了一种扇形沟槽表面节流式静压气体轴承,并运用计算流体力学软件Fluent计算轴承的性能,分析几何参数对轴承性能的影响。结果表明,在一定气膜厚度下,增大节流面积可显著提高承载能力,增大节流槽长度可以增加轴承刚度,而在气膜厚度较小时,均压槽可以同时提高承载能力和刚度。当轴承直径相同时,所设计的静压气体轴承较小孔节流式具有更高的承载能力和更大刚度。

关键词：气体轴承表面节流流体仿真性能计算

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