基于流固耦合的气体静压导轨侧向静态特性分析

气体静压导轨的结构变形会造成气膜的压力分布与理论模型存在明显偏差，从而影响了其静态特性。研究建立了气体静压导轨的流固耦合模型，分析了导轨两侧气膜压力分布与结构变形的关系；此外，通过双向流固耦合仿真，得到了在不同位置外力作用下气体静压导轨的承载能力和位移的关系，以及导轨变形情况和位移的关系，分析了不同位移下导轨变形与承载力的关系。最终通过实验对流固耦合仿真数据进行了验证，得出流固耦合仿真数据与实验结果较为吻合，在不同位置的外力作用下的气体静压导轨的静态特性相差较大。     

精密导轨用气体轴承微米形状静压面特性研究

精密加工装备或测量仪器要求导轨具有高刚度高精度特性。文章提出了基于气体轴承静压面微米形状的刚度提升方法,研究分析多孔质气体轴承微米形状的结构原理及类型,采用母线多线法和同心圆法测量圆柱型气体轴承静压面,并评估其曲面不规则度或同心度偏差,以减少加工误差对静压槽形对气膜静态特性的影响;通过SolidWorks内嵌插件对气体轴承加载力进行仿真分析,为气体轴承微米形状静压面静态特性的槽型深度提供试验参数依据;最后对比分析了0.1～0.5 MPa气体压力对平面气膜在承载载荷力、静态刚度、气体流量等特性影响,当凹面槽深h_1=1μm即该值接近受承载力变形量时,气体轴承刚度较好且气体流量较低;当微米形状为凸面时,气体轴承静压面特性表现较差,为精密导轨工程应用高刚度高精度气体静压轴承设计提供参考依据。     

节流器类型对空气静压导轨静特性的影响分析

在理论研究的基础上,通过联立基本方程式推导出导轨气膜的三维不可压缩定常雷诺方程;使用前处理软件Gambit建立环面节流、狭缝节流、小孔节流3种节流方式的气膜模型;应用基于有限体积法的FLUENT软件对空气静压导轨静态特性参数进行迭代求解;通过对计算结果进行后处理,最终得出这3种典型节流形式对空气静压导轨气膜压力分布、静承载能力和耗气量的影响规律。     

超精密定位工作台静压导轨静态特性及流场仿真分析

研究超精密液体静压定位工作台中的液体静压导轨静态特性问题。根据流体润滑理论及雷诺方程,构建了导轨油膜压力的数学物理模型,运用有限元方法求解静压导轨的各项静态特性参数,如导轨的承载能力、静刚度、流量等。运用三维造型软件Solid Works和CFD软件FLUENT,从结构三维造型设计和内部三维流动综合分析液体静压导轨,获得油膜压力的分布云图、曲线和油腔液压油流速分布云图,并分析不同结构设计参数和环境参数对液体静压导轨静态特性的影响。本文研究将对实际的静压导轨系统设计具有指导意义。     

均压槽气体静压轴承承载性能研究

为提高气体静压轴承的承载能力,基于超精密微小型机床的气浮导轨模型,在其气体静压轴承顶部的工作面设计直线形、双弧形和X形三种均压槽结构。建立轴承气膜的CFD(Computational Fluid Dynamics)模型,通过仿真计算得到轴承气膜的压力分布以及轴承的气体质量流量。综合考虑轴承顶部和底部两部分气膜对承载性能的作用,得出轴承的承载力W、刚度K和气体质量流量M,从而确定直线形均压槽轴承具有最佳的承载性能。继而分析直线形均压槽的宽度、深度和节流孔的个数对轴承承载性能的影响规律,得到了优化的均压槽结构。通过分析得出以下结论:设计均压槽可以有效提高轴承的承载能力,但增加了轴承的耗气量;适当增加均压槽深度可以提高轴承的承载力和刚度;增加节流孔的个数可以增大轴承承载力,但会使轴承的刚度降低。     

精密机床负压吸附导轨的研究

介绍了负压吸附导轨的工作原理,针对精密机床开式静压方式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小孔节流流量控制器相结合的新型负压吸附静压支承技术,建立了负压吸附导轨计算模型,并对气膜刚度进行了分析计算,保证了精密机床开式静压导轨所需的气膜厚度和刚度。并将该技术应用到机床导轨中,应用表明:提高了机床运动稳定性及工件的加工精度。     

液体静压导轨支承油膜的有限元分析

介绍了液体静压导轨支承的设计,并对其油膜压力分布进行了研究.根据流体润滑理论及雷诺方程,构建了导轨油膜压力的数学物理模型,提出了运用有限元法进行油膜刚度及导轨承载能力的分析与计算方法.借助非线性有限元软件Marc对一个应用实例进行了分析与计算,得到油膜压力的分布云图和曲线,求解出了油膜刚度和导轨的承载能力.计算结果表明,该方法计算结果精确,可以满足设计要求.     

环面节流静压推力轴承气膜入口区流动机理的研究与计算

对静压气体轴承流场研究结果进行了归纳与分析,指出常规气体轴承,在正常的供气压力和工作间隙下,可以采用雷诺方程求解;随着供气压力和气膜厚度的增加,供气孔与气膜相交处可能出现边界层发展区、惯性流区,此时气体流动则应分别采用边界层方程和全N—S方程求解,并采用膨胀波和拟激波揭示了惯性流区压力剧降然后回升的变化机理。在此基础之上提出了采用全N—S方程计算气膜内压力分布方法,计算与试验结果的比较表明,该计算方法可准确预测激波位置和流场的压力分布。     

稀薄条件下空气静压导轨气膜气体流态分析

基于空气静压导轨气膜支撑区气体分子运动和碰撞规律,提出气膜分层理论,将气膜支撑区的气体划分为近壁层、稀薄层、连续流层,给出划分稀薄层和连续流层的依据,建立物理模型并提出相应控制方程,通过LAMMPS(Largescale Atomic/Molecular Massively Parallel Simulator)仿真气膜支撑区气体流态并计算其压力。结果表明:随着气流速度的增大,气膜有效压力减小,连续流层的厚度增大,稀薄层的厚度减小,当到达一定速度值时,气膜内压力不在分层,速度滑移现象可以忽略。从而验证分层理论的合理性。     

基于FLUENT的环面节流静压气体圆盘止推轴承二维流场仿真分析

静压气体轴承供气孔出13后的压力陡降一直限制着静压气体轴承的使用;且随着气膜间隙的增大,气膜内甚至会出现负压,而传统的雷诺方程无法计算出流场内的压力陡降.运用FLUENT软件对单孔环面节流静压气体圆盘止推轴承的流场进行了仿真计算;基于计算结果,分析了不同气膜间隙下气膜入13区和压力回升区的流场特性;运用边界层知识解释了不同气膜间隙下的压力回升;以流场中马赫数的连续变化为依据说明气膜内正激波是不存在的;研究了流场中气体粘度的变化情况;通过仿真压力分布与实验压力分布的对比,验证了仿真模型和仿真方法的正确性.     

静压节流器微孔气膜参数测量装置设计与试验

研制一种节流器气膜场多路热工参数同时测量的自动化装置,阐述机械装置、硬件电路和软件程序的设计原理与实现。采用气膜厚度调节和气膜压力承载分离设计原理的机械结构以及基于Cortex-M4F内核的STM32F407主控芯片的电控系统和上下位机共同操作的软件程序组合的测量装置,具有自动化程度大、测量精度高等优点。在气膜厚度为6和10μm以及供气压力为0.3、0.5和0.8MPa的实验条件下进行测试,得到双U形平面静压节流器的气膜场温度和压力参数分布。分析得出:在供气压力和气膜厚度增大过程中,双U形节流器气膜场温度值均呈现减小趋势,气膜场压力值分别呈现增加和减小趋势;在供气压力和气膜厚度保持不变的情况下,双U形节流器气膜场在节流槽处产生温度骤降现象,在越过节流槽处产生压力骤降现象。     

精密数控机床闭式静压导轨结构设计及油腔流场研究

针对精密数控机床对导轨精度的要求,设计一种基于薄膜反馈节流器的闭式静压导轨系统,并根据无穷大刚度原则计算了导轨的结构参数。利用三维软件SolidWorks建立静压导轨油腔的三维模型,导入流体力学软件FLUENT的前处理器Gambit进行网格划分;在设定一定进口压力条件下,给定导轨在静止状态和移动状态下的静压腔流场与温度场的变化规律。通过FLUENT的数值分析得到:在相对静止状态下,静压腔的流场成对称分布;相对速度变大时,静压腔流场在边缘区域压力成不规则的下降,温度在此区域急剧上升,容易出现"气穴"现象,致使油液发热,从而导致导轨运动精度降低。     

精密数控车床静压导轨性能仿真研究

静压导轨的静态性能会直接影响精密机床的精度,需要在设计阶段考虑各个设计参数对其静态性能的影响,以保证设计符合要求.根据流体力学以及闭式静压导轨的受力特点推导出油腔内部的压力计算公式;结合节流器特征方程建立承载能力与刚度分析方程,得到简化模型;利用Matlab仿真分析导轨及节流器设计参数对静压导轨静态性能的影响,得到各设计参数的最优取值.     

空气静压主轴有限元建模及动态特性研究

为提高空气静压轴承支撑的空气静压主轴的动态工作性能,文章利用Fluent计算出了空气静压轴承在不同供气压力下气膜刚度,利用Ansys Workbench中的轴承单元和弹簧—阻尼单元模拟轴承支承,对主轴系统进行了模态分析和动态响应分析,得到不同供气压力下主轴系统的固有频率、振型以及激振力作用下的位移幅频动态响应曲线。结果表明,随着供气压力的增加,轴承气膜刚度增加,且对主轴系统的低阶模态和高阶模态影响不同。另外随着气膜刚度增加,谐振频率逐渐增大、振幅减小,系统抵抗受迫振动能力逐渐增强。研究结果为提高空气静压主轴的动态性能提供了一定的理论依据。     

不同加工工艺的多孔质微米凹面气体静压轴承特性研究

为了提升多孔质气体静压止推轴承的刚度及精度稳定性,对作用面面型为平面、微米凹面的多孔质气体静压轴承作对比研究。用Gambit和Fluent软件进行建模和仿真分析,并以平面、1.5和3μm两种凹槽深度为参数,研究凹槽深度对多孔质气体静压止推轴承承载力及刚度特性影响。仿真及试验结果对比分析表明:气膜厚度1~20μm,承载力及静态刚度随凹槽深度变大而增强;精密车削与研磨加工工艺对微米级凹槽刚度及稳定性影响较大,凹槽形状误差易引起气锤现象。     

新型微孔节流气体静压轴承的特性研究

针对狭缝节流静压气体止推轴承的狭缝加工质量难以保证的问题,提出了一种微孔节流气体静压止推轴承。基于Fluent软件,保证轴承的总节流面积相同,通过改变气膜厚度、节流孔(缝)深度,对比研究了狭缝节流和微孔节流静压气体止推轴承的承载力、刚度及耗气量;其后对轴承的总节流面积取不同值时的轴承特性进行分析对比,从而判断了两种轴承在一定条件下是否具有互换性。结果表明:气膜厚度、节流孔(缝)深度、轴承的总节流面积取不同值时,微孔节流静压气体止推轴承在承载力、刚度及耗气量上都与狭缝节流静压气体止推轴承有较高的一致性;在一定的工况下,微孔节流静压气体止推轴承可以代替狭缝节流静压气体止推轴承。     

小间隙下狭缝节流静压气体止推轴承静态性能的研究

减小气膜间隙可以提高气体轴承的刚度和承载,为研究小间隙下狭缝节流气体止推轴承静特性,运用FLUENT软件对小间隙下狭缝节流止推轴承进行流场仿真。采用滑移边界条件对小间隙下轴承流场进行计算,结果表明,随着气膜厚度的增加,滑移的影响逐渐减小,当膜厚大于等于4μm时滑移影响可以忽略。计算了狭缝结构对轴承静特性的影响,结果表明,在其他参数相同的条件下,轴承的承载力随狭缝的宽度的增加而增加;随着狭缝深度的增加而减小。在其它结构参数相同的条件下,随着狭缝宽度的减小,最大刚度值增加,最大刚度对应的气膜厚度逐渐减小;随着狭缝深度的增加,最大刚度值增加,最大刚度对应的气膜厚度逐渐减小。     

微孔节流气体静压止推轴承跨缝过程时变特性研究

目前,大型气浮平台均采用花岗岩平台拼接而成,平台拼缝会对实验效果产生一定影响。针对上述问题,以微孔节流气体静压轴承运动中经过平台拼缝时的时变特性为研究对象,建立微孔节流止推轴承物理模型,并使用CFD软件与UDF相结合的动网格技术实现轴承跨越平台拼缝的动态过程仿真,研究不同气膜厚度、进气口压力、平台拼缝位置对轴承承载力和压力分布的影响。结果表明：当平台拼缝到达微孔分布圆附近时承载力急速下降,且平台拼缝到达轴承中心时承载力下降到最小值;随着气膜厚度的增加,轴承承载力的最大损失比例随之增加,并最终稳定到0.6;平台拼缝位于供气孔分布圆之外时,轴承边缘与平台拼缝之间的承载面将失效;通过增加进气口压力,轴承承载力整体有明显提升,但承载力损失速度也明显加快。     

Investigation of accuracy of aerostatic guideways

Aerostatic guideways are often used in machines requiring very high motion accuracy such as coordinate measuring machines. Currently, positioning error analysis for such machines focuses on the relationship between volumetric errors on one hand and axes’ motion errors and axes’ relative location errors on the other. The internal mechanisms causing motion errors are rarely considered. In order to gain a deeper understanding of aerostatic guideways, this paper investigates the relationship between the motion errors of the axis’ carriage and the guideways’ geometric errors both mathematically and experimentally. The analytical model uses bearings location and stiffness, guideway geometry and static equilibrium to produce a model in matrix form. Validation experiments are conducted on a machine axis moving on aerostatic guideways with and without preload.