双气膜高速气体静压主轴系统的稳定性研究

一、概述气体轴承与油膜轴承相比,其摩擦十分小,作为高速回转主轴用的轴承,其实用性很引人注目,近几年来得到大量的开发研究和广泛应用.缩小转子的自振区,提高主轴系统的抗干扰性和稳定性仍是高速气体静压轴承主轴系统的研究设计中的一个必不可少的课题.空气静压轴承由于采用压缩性的气体膜支承,它与油膜轴承相比,其工作稳定性差,容易产生振动.空气静压轴承的不稳定现象可以分“气锤”自激振动、由转子的残余不平衡量引起的同步振动(同步涡动),以及高速回转时动压效应所引起的自激涡动(振摆回转振动)等.     

主轴振动测试及温升对主轴振动的影响

在液体静压轴承主轴的实验平台上,采用激光位移传感器测量主轴在不同转速下的振动值.根据实验条件设计主轴温升试验方案,并测量主轴在指定转速运转15min的温升情况以及振动量,研究温升对主轴振动的影响.     

基于高效深切磨床轴承主轴系统的有限元分析

针对实验室研制的高效深切磨床动静压轴承主轴系统,首先利用计算流体力学软件CFX,对动静压轴承的油膜进行稳态分析,得到油膜上的压力分布。通过在不同的小位移和速度扰动的情况下轴承油膜承载力的变化规律,依此来确定轴承油膜的刚度和阻尼系数。在ANSYS中,采用Ma-trix27单元来模拟动静压轴承油膜的刚度和阻尼作用,并对主轴进行模态分析。结果表明,在微小的位移扰动和速度扰动的情况下,油膜的弹性力和阻尼力近似为线性的,主轴模态有限元计算结果与实测结果基本一致,证明了该分析方法的正确性。     

有限体积法与正交试验法相结合的动静压轴承结构优化设计

针对小孔节流深浅腔动静压轴承的性能优化问题,基于平行平板扩散流动计算模型及流量守恒原理,推导了微元控制体边界压力的插值函数,提出了分析小孔节流深浅腔动静压轴承的油腔压力、承载力、静刚度、进油流量及温升等承载特性的有限体积计算方法。使用该方法研究了供油压力、主轴转速、进油孔径、浅腔深度、初始油膜厚度等参数对小孔节流深浅腔动静压轴承承载特性的影响规律,从而得到了以上相关参数的优化区间。在此基础上,采用四因素三水平的正交试验法,在满足多目标性能最优的前提下,得到了小孔节流深浅腔动静压轴承结构参数与工作参数的最优组合。以该组参数试制了小孔节流深浅腔动静压轴承并建立了试验平台,测量了不同转速及供油压力下油腔的压力值。试验结果表明,轴承油腔压力试验数据及理论计算值随主轴转速的变化趋势一致;误差在11%以内。验证了有限体积法与正交试验法相结合的动静压轴承结构优化设计方法的正确性。     

液体动静压轴承油膜的压力场和温度场分析

针对深浅腔液体动静压轴承的承载特性等问题,对液体动静压轴承的油膜压力场和温度场进行了仿真分析。以超高速磨削电主轴系统中常用的深浅腔液体动静压轴承为研究对象,建立了液体动静压轴承油膜的三维有限元模型,对油膜进行了网格划分,并对划分后的网格进行了质量评定;采用动网格技术实现了对油膜偏心率的变更,在不同主轴转速、偏心率的工作条件下,计算了深浅腔动静压轴承油膜压力和温度的分布情况,分析了其油膜压力分布和温度分布的变化规律;研究了转速、偏心率对动静压轴承的承载力和油膜温升的影响规律。研究结果表明:在深浅腔液体动静压轴承运转过程中,随着转速和偏心率的提高,油膜承载力和温升也随之提高,且转速对油膜温升的影响要比偏心率大。     

球面螺旋槽动静压气体轴承试验台的研制及试验分析

为研究气体轴承的工作机理和静动态特性、设计了球面螺旋槽动静压气体轴承试验台,通过转子升降速试验分析转速-时间、碰磨电压-时间曲线,得到转子的起飞转速为15 762 r/min;通过轴承轨迹、频谱试验研究轴承-转子系统稳定运行到失稳过程的振动变化特性,进一步使用MATLAB,MYSQL数据库及数据处理系统对试验数据进行在线和离线处理,求得气体轴承刚度、阻尼等静动态特性与供气压力、转速的变化关系;通过电磁激振系统对转子进行加载试验,研究刚度、阻尼与激振频率变化关系。试验表明:试验台可测量气体轴承的转子转速、振动位移、轨迹、频谱、起飞转速及刚度、阻尼等静动态特性系数,研究气体轴承稳定运行及失稳过程静动态特性变化和运行参数对轴承静动态特性的影响。     

复合式动静压轴承的结构设计及仿真分析

针对动静压电主轴在使用过程中存在轴向窜动的问题,结合动静压轴承的结构特点,在分析加工主轴运转中受力状况下,设计一种复合式动静压轴承,解决主轴运转过程中轴向窜动问题,并通过三维建模的方式,剖析了结构中的进油、回油、测压、冷却等系统的结构设计。以复合式动静压轴承设计参数为基础,通过利用FLUENT流体仿真软件和前处理软件GAMBIT重点对动静压止推轴承进行了不同转速状态下的仿真分析,得到油膜压力分布和温度分布云图,依此为依据,结合实际工况,进一步对止推轴承的不同工作载荷状态下的承载能力进行分析研究,并且结合实际情况分析结构设计的合理性,为后期的优化设计提供参考依据。     

高频电液颤振器振动特性仿真与实验

一种由两位三通激振阀和单作用缸组成高频电液颤振器,高频激振阀采用转阀结构,控制油液交替进出液压缸,从而使弹性端盖产生受迫振动。采用AMEsim分析了液压颤振器的低频振动特性。实验中测量了不同压力与不同弹性端盖质量时电液颤振器在1 Hz~4 000 Hz的振动频率下的压力、加速度、位移以及流量特性。分析表明,高频激振阀的工作频率可以达到4 000 Hz,激振器的谐振频率为320 Hz时,谐振时弹性端盖振动振幅明显增加,此时颤振器所需输入功率很小,最理想的工作频率为320 Hz。     

小孔节流深浅腔动静压气体轴承承载特性分析

以小孔节流深浅腔动静压气体轴承为研究对象,采用Fluent软件对轴承的承载特性进行分析,研究偏心率、供气压力、主轴转速、气膜厚度、浅腔深度比等因素对轴承承载力和刚度的影响。结果表明:小孔节流深浅腔动静压气体轴承浅腔区的平均压力大于深腔区的平均压力,压力最大区域出现在浅腔末端靠近轴承端面处;随着供气压力的增加,承载力逐渐增大,但供气压力不应超过0.95 MPa;当主轴转速在3×10~5 r/min以内时,承载力和刚度随着转速的增加呈线性增长规律,当主轴转速超过3×10~5 r/min继续增加时,承载力和刚度的增长趋势明显放缓;承载力与刚度随着浅腔深度比的增加先增大后减小,当浅腔深度是气膜厚度的1～1.5倍时,承载力与刚度接近最大值。     

高速轧辊磨床主轴系统动静压轴承供油液压系统的开发

介绍了普通轧辊磨床主轴系统动静压轴承供油方式的特点,并对常用的普通动静压轴承的恒流量供油系统和恒压供油系统进行了详细的对比分析,在此基础上,设计了高速轧辊磨床主轴系统动静压轴承的供油液压系统,结果表明,相较于常用的普通动静压轴承的恒压供油系统,高速动静压轴承的恒压供油系统的压力稳定性更好,压力调节更方便和可靠.     

基于FLUENT的液体动静压轴承的动态特性分析

应用计算流体力学软件FLUENT对超高速磨削用五腔动静压轴承进行动态特性研究,得到动静压轴承内部压力场和温度场分布;计算轴承的承载力、温度、刚度、阻尼等动态参数,分析这些动态参数与偏心率以及转速之间的关系。结果表明:在保持供油压力和轴承偏心率不变的情况下,随着转速的提高,油温上升,轴承承载力及偏位角不断增大;在保持供油压力和主轴转速不变的情况下,随着偏心率的增大,轴承流量有所减少,轴承的承载能力不断增大,偏位角基本保持不变。     

2D阀控高频电液振动台的设计及其特性分析

该文在分析目前电液振动技术的基础上,采用2D伺服阀控制激振缸,用2D阀的转速和直线位移来控制振动频率和振幅。文章介绍了2D阀控电液振动台的工作原理,以及振动台控制系统的硬件组成。最后在各种频率下进行激振实验,分析了激振波形,总结了实验结果。结果表明2D阀控电液振动台能实现高频振动。     

多孔空气静压轴承动力学性能影响参数的优化设计

位移阻抗性能直接反映了空气静压轴承对外动载荷的抵抗能力,在考虑自激振动削弱的动力学性能设计中应对其进行优化提升。为提升轴承的动力学性能,削弱气锤振动,针对气膜-被支承件系统的位移阻抗进行研究。采用数值仿真方法,引入动网格技术计算位移阻抗,明确多孔空气静压止推轴承的结构、运行参数对位移阻抗的影响机制;基于径向基神经网络模型建立以轴承参数表示的位移阻抗近似分析模型,并采用PARETO分析对比讨论轴承参数对位移阻抗的影响;建立优化设计数学模型,以削弱气锤振动为目的,在气锤振动的频率范围内与给定负载条件下针对位移阻抗进行优化。分析结果表明：由于挤压膜效应,外激励频率对于位移阻抗具有最大影响,位移阻抗随激励频率的增大而急剧增大,因此轴承对于高频外载荷具有较强的抵抗能力,需要着重提升低频激励下的位移阻抗性能;小孔直径、气膜厚度与供气压力对位移阻抗的影响大于气腔尺寸与小孔位置的影响。研究结果与优化建模流程可为轴承的工程设计提供参考。     

动静压轴承的试验研究

本文对一个重型磨床上的大型特殊结构的动静压轴承进行了实验研究。完善了一大型高速动静压轴承试验台,改进了基于频谱分析动静压轴承动特性测试方法。实验中着重考虑了激振频率的影响。得出了一些有实用价值的结论。     

考虑激振频率的可倾瓦推力轴承动特性理论与试验研究

为了研究激振频率对可倾瓦推力轴承动特性的影响,提出考虑激振频率的动特性建模方法和试验方法。依据可倾瓦轴承刚度和阻尼定义,将激振频率引入可倾瓦推力轴承动特性计算过程,通过建立轴向扰动下的膜厚方程、雷诺方程及瓦块运动方程,推导出包含激振频率的可倾瓦推力轴承动特性数学模型,计算分析刚度和阻尼随扰动频率(激振频率与主轴转频的比值)、转速及载荷的变化规律;采用脉冲激振法在可倾瓦推力轴承试验台进行动特性试验,得到不同激振频率、转速及载荷条件下刚度、阻尼的试验结果,并和相应的理论计算值进行对比分析。结果表明：当扰动频率较小时,可倾瓦推力轴承刚度随其增加而逐步增大,阻尼随其增加而逐步减小;当扰动频率增加到一定程度后,其刚度和阻尼逐步趋于稳定。此外,转速和载荷对其刚度和阻尼随扰动频率的变化幅度基本无影响。     

基于 FLUENT 的深浅腔动静压轴承油膜压力研究

以具有深浅腔的动静压轴承为研究对象,基于 Gambit 对油膜进行网格划分并建立三维有限元模型,通过FLUENT 仿真得到不同偏心率和转速下轴承的油膜三维压力场分布和静特性参数。计算结果表明：深浅腔动静压轴承在每个浅腔处油膜出现压力峰值,且承载力随偏心率和转速的增加而增加。该仿真方法计算结果与文献数值计算结果相吻合,为进一步研究动静压轴承的其他性能提供了一种新的方法。     

磨床用液体静压轴承径向承载特性分析

以磨床用液体静压轴承为例,利用计算流体动力学软件CFX,对动静压轴承的油膜进行稳态分析,得到油膜上的压力场分布,通过流固耦合技术把油膜压力添加到磨床主轴,对静压轴承进行结构静力分析,得到了轴承的径向承载力随偏心距的分布,通过换算求导得到油膜的刚度随着偏心率的分布。研究结果为静压轴承及磨床的转子动力学及静压轴承的优化提供理论依据。     

空气静压轴承气旋机理及其影响因素分析

为了降低空气静压轴承节流孔内气旋导致的轴承微振动,提高轴承稳定性和超精密加工精度,这里根据冲击射流的气流流动结构特征划分了气流流场区域,利用大涡模拟对不同区域的气流瞬时流动情况进行了仿真,研究了气旋的产生和发展规律,并从冲量原理、压力变化等方面分析了气旋导致微振动的机理.进一步从稳态和瞬态两方面研究了不同供气压力和压力腔形状对气旋强度的影响.研究表明,微振动的产生是由于阻滞区域、压力腔径向流动区的气旋以及在壁面射流区处压力腔出口形成的湍动能和压力波动.随着供气压力的增加,气旋强度增加,不同形状的压力腔对气旋强度影响较大,据此可选择较优的压力腔形状.研究成果为空气静压轴承的设计提供理论依据.     

气体静压高速电主轴稳定性研究

空气静压电主轴是高速精密数控加工机床的关键部件之一,其稳定性是影响高速数控机床的加工质量和切削性能的重要因素。主要研究空气静压电主轴的气锤振动与涡动失稳的机理和判定方法:以电主轴的静压止推轴承为例,推导了止推轴承产生气锤振动的判别式,利用软件仿真分析了止推轴承的节流孔直径、气腔半径、供气压力三个结构参数对气锤振动的影响规律;分析了涡动失衡的原理,从数值分析的角度,研究了涡动比与偏心率的关系,阻尼系数与涡动速度,阻尼系数与主轴的轴颈转速的关系,并提出了防止气锤振动和涡动失衡的有效措施。     

精密磨床主轴轴颈形状误差对动静压轴承性能的影响

考虑主轴轴颈制造中的圆度误差和圆柱度误差,应用FLUENT软件,对精密数控磨床砂轮主轴深浅油腔动静压轴承的性能进行了分析。结果表明:主轴轴颈圆度误差和圆柱度误差的种类对动静压轴承性能的影响各不相同,随着轴承间隙的变化而变化。动静压轴承承载能力、功耗以及油膜最高温升等性能参数都会随着主轴轴颈误差幅值的增加而增加;但动静压轴承流量的变化趋势却相反。要提高磨削加工精度,必须考虑精密数控磨床主轴轴颈的形状误差的影响。