精密离心机静压气体轴承主轴系统的动力学特性分析

精密离心机静压气体轴承主轴系统的动力学特性分析是保障其标定加速度仪精度的重要研究课题。通过在 小孔节流静压气体轴承的雷诺方程式中加入节流孔的流量项,使计算得以简化;采用了泛函求极值法将二阶偏微 分方程离散化,用有限元法进行了承载能力和刚度的数值求解。把描述静压气体轴承工作的偏微分方程式(雷诺 方程)与建立的静压气体轴承主轴系统的动力学数学模型合并直接数值求解,提高了计算精度和可靠性。     

精密离心机静压气体轴承主轴系统的稳定性分析

惯性导航用精密离心机静压气体轴承主轴系统的运动稳定性是保障其标定加速度计精度的重要前提，直接关系到整个机组的安全性与可靠性。将静压气体轴承等效为弹性支承，使轴承的刚度以显函数出现，对主轴的稳定性进行了分析，确定了轴系运动的稳定性条件。通过数值仿真，得到了稳定性区域。分析了转速、支承刚度和转动惯量对轴系运动稳定性的影响，为提高精密离心机的性能提供了一定的依据。     

新型气体静压支承技术的研究

介绍了气体静压支承的工作原理,针对精密加工设备开式气体静压支承工作过程中存在的漂移和运动不稳定问题,提出采用负压发生器与节流器相结合的新型负压吸附静压支承技术,应用仿真软件对负压吸附静压支承中的小孔节流和多孔质节流形式进行了分析探讨,分析了负压吸附静压支承的工作原理、间隙压力计算方程和气膜刚度的计算;通过试验测试分析该技术,保证了开式气体静压导轨所需的气膜厚度和刚度;将该技术应用到精密数控机床导轨中,使机床抗振性和运动精度得到提高。     

气浮主轴轴向闭式支承系统静特性数值分析

求解气体润滑问题的最大难点在于如何获得雷诺方程的精确解。为了提高气浮主轴轴向支承系统的设计精度,在建立小孔节流气体静压止推轴承润滑数学模型的基础上,运用有限元方法对雷诺方程进行离散化。基于MATLAB7.0工具平台,采用超松弛迭代法,开发求解气体静压止推轴承压力方程与静特性的数值仿真软件。以某气浮主轴轴向闭式支承系统静特性参数设计为例,通过数值仿真,获得单侧止推轴承润滑气膜的压力分布,及不同节流孔直径与不同供气压力下的静特性性能;以刚度最大为优化目标,确定该气浮主轴止推轴承的结构参数与操作参数,并由此获得闭式支承系统的静特性。     

精密机床静压气体轴承静特性分析及基本参数的优化

对精密机床气体轴承静特性进行理论分析,运用有限元法将雷诺方程离散化,得到静压气体轴承的承载能力、刚度以及供气量的计算公式。对某精密机床小孔节流静压气体轴承的静态特性进行分析,得到供气压力、偏心率、节流孔直径和刚度以及承载能力之间的关系曲线;通过优化分析,得到精密机床主轴前后静压气体轴承优化的结构参数和操作参数。     

精密离心机主轴回转精度的仿真

首先给出了气体静压轴承承载能力及刚度随偏心量变化曲线;并在此基础上应用动力学仿真软件仿真了静不平衡、主轴铅垂度误差以及二者综合作用下的精密离心机主轴运动模式及其引起的径向回转误差和失准角。研究表明,当静不平衡与回转中心在同一水平面内时,精密离心机主轴做圆柱运动;静不平衡量存在轴向偏移或存在主轴铅垂度误差时,主轴做圆锥运动,并且失准角随静不平衡量和铅垂度误差增大而增大;二者综合作用时主轴做圆锥运动,引起的径向回转误差和失准角由二者共同决定。研究结果有助于验证前人对精密离心机主轴运动模式的理论分析,并计算不同工况下径向回转误差和失准角。     

“工”字型气体静压主轴的动力学特性研究

针对小孔节流静压气体径向轴承支撑的两种不同结构的"工"字型气体静压主轴的固有频率及振型等动力学特性,采用CFX软件对小孔节流静压气体径向轴承进行刚度的仿真计算,应用Ansys Workbench对单盘、双盘"工"字型主轴进行自由模态和约束模态分析,得到两种主轴各阶的固有频率以及振型。利用锤击法实验模态分析系统对双盘"工"字型主轴进行约束模态实验测试,并将实验结果与仿真结果进行分析对比。结果表明,主轴上的集中质量、不同的阶梯结构以及影响主轴的低阶模态与高阶模态的因素不同等方面对主轴的固有频率及振型等动力学特性产生影响,以及误差的存在,使双盘"工"字型主轴的实验模态值低于有限元仿真的模态值。     

基于数值模拟的小孔节流空气静压轴承静动态特性研究

为了提高小孔节流空气静压轴承的静动态性能,基于流体力学和固体力学的基本控制方程,建立小孔节流空气静压轴承双向流固耦合数值模拟模型;采用静态数值模拟方法获取了设计参数对承载力和刚度的影响规律,进一步对微气膜间隙内三维流场特性进行了分析,有效降低了微气膜间隙内气体冗余现象对空气静压轴承动态稳定性的影响,并在数值计算的基础上对空气静压轴承结构和工作参数进行优化设计;在气体静压试验平台上对自行研制的空气静压轴承进行静动态特性测试。试验结果表明:所提出的数值模拟方法具有很好的预测效果;所采用的优化设计方法能够显著提升空气静压主轴的静动态特性。     

基于小孔节流的静压油膜轴承动态特性分析

静压轴承的动静态特性在很大程度上受到节流装置的影响,以小孔节流的静压轴承为研究对象,开展其动态特性理论的研究。利用两平行平板缝隙液体流量公式推导了轴承油腔流出的流量数学模型,并充分考虑了主轴转子速度对流量的影响因素,使之更符合实际工况;在对小孔节流后流入轴承油腔的流量方程进行线性化处理的基础上,建立了静压轴承系统的流量连续性方程;结合轴承-主轴系统动力学方程,推导出小孔节流的静压轴承系统动态特性的传递函数,分析了小孔节流静压轴承系统的动态特性。结果表明:小孔节流的四油腔静压轴承动态响应速度在0.06~0.12 s范围内变化,增大供油压力、油腔承载面积、主轴转速及减小油膜粘度、油膜间隙等均有助于提高轴承系统的响应速度。研究结果对于指导工程设计具有一定的参考价值。     

精密离心机结构安装误差对主轴回转精度的影响

针对精密离心机的精度控制,建立了精密离心机结构安装误差对静压气体轴承主轴回转精度影响的定量计算模型,运用该模型开展了多方面结构安装误差参量对主轴回转精度影响规律的研究。研究表明主轴回转误差随转盘与静压气体轴承轴线间偏心量、静压气体轴承轴线铅垂度安装误差和转盘与静压气体轴承轴线安装垂直度误差的增加而增大,其中偏心量和垂直度误差对主轴回转误差的影响较大,铅垂度误差对主轴回转误差的影响较小。研究可为精密离心机的设计提供帮助。     

小孔节流静压气体轴颈轴承的静态特性研究

通过对小孔节流静压气体轴颈轴承润滑方程的分析,利用泛函求极值法将二阶偏微分方程降为一阶,采用有限元方法,利用三角单元线性插值函数,简化压力分布方程式的计算,对轴承的参数进行了优化,得到了轴承上各点的压力分布和轴承的承载能力和支承刚度,并分析了轴承间隙和偏心率等因素对承载能力和刚度的影响。     

Analysis of orifice compensated externally pressurized gas bearings

Dynamic performance of orifice compensated externally pressurized gas bearings is considered. By adopting the finite element method and modifying the perturbation formulation of Lund, stiffness coefficients, damping coefficients, critical mass and threshold speed for various bearing eccentricities and design parameters have been computed.     

基于有限差分法对不同润滑介质下静压气体轴颈轴承性能研究

利用有限差分方法编写一套可以用于分析动静压气体轴承性能的计算程序,并通过已有算例和试验验证本程序计算结果的可靠性。对不同润滑介质下静压轴颈轴承气体消耗量进行研究发现,不同分子量润滑介质下气体消耗量随偏心率变化表现出不同的变化规律,小分子润滑介质下气体消耗量与偏心率成正比,而大分子润滑介质下气体消耗量与偏心率成反比,并且此规律与节流小孔类型无关,小孔节流轴颈轴承气体消耗量大于环面节流类型轴颈轴承。相同供气压力和偏心率情况下,小分子润滑介质小孔节流轴颈轴承承载能力比环面节流类型轴承承载能力小,大分子润滑介质下正好相反。本程序方法为后来对俄罗斯油—气混合低温氦透平膨胀机气体轴承端改造奠定了理论基础。     

气体静压小孔节流与多孔质节流性能的比较

本文给出了传统的小孔节流和多孔质节流轴承的理论分析，分析了外部供压气体轴承的进气形式对轴承性能的影响，对于不同类型的小孔节流和多孔质节流的轴承，本文给出了实验结果，并对轴承的性能参数即承载能力，刚度等进行了比较，作者分析了小孔节流和多孔节流止推轴承的承载能力和刚度，结果表明多孔质止推轴承同小孔节流轴承相比，具有高的承载能力。     

Elastic Orifices for Pressurized Gas Bearings

The merit of using an elastic orifice compensator in externally pressurized gas bearings is examined. The use of an elastic orifice in a test bearing demonstrates an increase in bearing stiffness over a conventional fixed orifice when compared at a common operating point. This attribute should be welcome wherever externally pressurized bearings are used. In addition, increased bearing stiffness may allow the use of these bearings in applications formerly restricted to pressurized liquid and rolling contact bearings. Information is included to allow construction of working models of these orifices and duplication of experimental results.     

均压槽与静压气体轴颈轴承承载特性的关系研究

主要研究通过开设不同结构形式的均压槽来提高静压气体轴颈轴承的承载能力和刚度,利用加权余量法和有限元离散化方法求解雷诺方程进行数值计算和仿真,针对单排孔和双排孔轴颈轴承,分析不同长度的周向均压槽,以及不同数量、不同位置和不同长度的轴向均压槽对轴承承载能力和刚度的影响规律。结果发现:开设周向均压槽和轴向均压槽都可以提高轴承的承载能力,相比开设周向均压槽,开设轴向均压槽对提高轴承的承载能力更为有效,而且只开设一条或两条轴向均压槽就能显著提高轴承的承载能力,通常将轴向均压槽置于气膜间隙较小的位置时能使轴承的承载能力和刚度最大。数值仿真结果通过试验进行验证,研究结果可用以指导高承载和高刚性静压气体轴颈轴承的设计。     

Performance of membrane compensated multirecess hydrostatic/hybrid flexible journal bearing system considering various recess shapes

The paper describes a theoretical study concerning the performance of an externally pressurized multirecess hydrostatic/hybrid flexible journal bearing system by varying the geometric shape of recess and using the membrane flow valve restrictor as a compensating element. The four different recess geometries of the bearing studied in the present study are a square recessed bearing, a circular recessed bearing, an elliptical recessed bearing and a triangular recessed bearing. The equation governing the flow of lubricant in a journal bearing together with 3D elasticity equation and restrictor flow equation are solved by using the Finite Element Method. The study describes the effect of recess shape, bearing flexibility and a method of compensation on the performance characteristics of a hydrostatic/hybrid journal bearing system. A comparative performance of the membrane compensated hydrostatic/hybrid journal bearing system has also been studied vis-à-vis capillary, orifice and constant flow valve restrictors. The results presented in this study amply demonstrate that the shape of recess/pocket of a hydrostatic/hybrid flexible journal bearing system affects the performance of the bearing quite appreciably and a proper selection of recess shape along with a suitable compensating device is needed to get an improved performance from the bearing.     

Design procedures for orifice compensated gas journal bearings based on experimental data

This paper presents a method for designing externally pressurized gas journal bearings with orifice compensation. The design procedures include a basis for prediction of bearing stiffness, load, and flow rate for a range of typical bearing configurations, and allow an interactive procedure whereby the designer can visually interpret the effects of various design changes. Guidance is given on bearing geometry to maximise load carrying capacity. Recommendations are also given to enable the designer to select the number of orifices to achieve the predicted load carrying capacity, as well as guidance concerning pocket geometry to minimise the possibility of pneumatic hammer instabilities. The effects on design performance due to variations of bearing clearance and orifice diameter are included and provides a basis for the tolerancing procedure which is proposed