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。     

空气静压轴系支承的数值分析

采用有限差分技术,对精密轴系中的径向和轴向空气静压轴承进行了数值分析。主要针对有多个供气孔的径向轴承的复杂流场,沿周向展开承载曲面以雷诺方程为气体润滑的控制方程。同时根据质量守恒原理,制定出每个供气孔出口压力边界条件逐轮修正的迭代路线,计算出不同偏心率和供气压力下的压力分布、承载能力及流量。该技术成功地用于轴系支承精确设计并制造出精密模块化主轴轴系。     

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。     

带浅腔的空气静压轴承节流孔出口处流场计算与分析

为了进一步揭示具有浅腔的空气静压轴承节流孔出口处气膜流场的影响因素和规律,建立空气静压轴承节流孔出口处的物理模型,采用Laminar、k-ω以及k-ε3种模型对空气静压轴承节流孔出口处气膜流场区域的NS方程进行数值计算,分析气膜间隙和供气压力对节流孔出口处气膜流场的影响。结果表明：空气静压轴承在节流孔出口处存在压力陡降现象,在气膜浅腔与气膜间隙交界处的陡降更为明显,这对精密运动机构和精密测量设备的精度和稳定产生一定影响;3种计算模型的计算结果有较好的一致性,Laminal模型和k-ω模型数值计算结果更为接近;随着空气静压轴承气膜间隙和供气压力的增大,其节流孔出口处的压力陡降和马赫数剧升幅度也随之增大。     

环形多孔气体静压止推轴承静态性能研究

为提升气体静压止推轴承的静态性能,设计一种新型环形多孔气体静压止推轴承。依据气体润滑原理、采用有限体积法对环形多孔气体静压止推轴承的三维物理模型进行数值模拟,研究节流器上节流孔数量、直径、分布方式和供气压力对气体静压止推轴承静态性能的影响。结果表明：节流孔数量对环形气体静压止推轴承的承载力影响显著,但孔数增加到一定程度后承载力增速放缓;节流孔直径对承载刚度影响较大,随着节流孔直径逐渐减小最佳刚度逐渐增大;节流孔排布方式和供气压力对气体静压止推轴承的静态性能均有明显影响。     

整体闭式与开式气浮导轨静态性能对比分析

静压气浮导轨是精密气浮工作台的重要组成部件,其承载能力和刚度直接影响了工作台的平稳性以及所加工零件的精度。针对所设计的精密高刚度二维气浮工作台,提出采用有限差分的数值计算方法,在双边间隙总和与供气压力相同的条件下,对整体闭式及开式气浮导轨的气浮面进行整体求解计算,对比分析其压力分布、承载能力、刚度等静态性能参数。结果表明:由于闭式气浮导轨的下气浮块在垂直方向上起到了辅助支撑的作用,形成了四周封闭的气膜面,因此增强了闭式气浮导轨的紧密性和可靠性,使得整体闭式气浮导轨的刚度和稳定性均优于开式气浮导轨;实验结果与理论分析较吻合,为此类精密定位平台的设计优化提供了理论依据。     

静压气浮导轨承载能力的解析法和有限元法对比分析

承载能力是静压气浮导轨的一个重要的静态性能指标.采用解析法和有限元分析法2种方法计算了闭式矩形静压气浮导轨的承载能力.结果表明:闭式矩形静压气浮导轨的承载能力随供气压力的增大而增大;2种方法计算结果具有较好的一致性,其中有限元法实现了对气体流场的三维仿真,不仅考虑了扩散效应的影响,而且把求解域从传统的薄膜区扩展到节流孔上游,可考虑更多因素的影响,结果更符合实际情况.     

三坐标测量机气浮导轨滑块结构设计与仿真

静压气浮导轨采用气体润滑,具有无摩擦、热变形小、寿命长等优点,且气膜的误差均化作用显著提高了其运动精度,满足三坐标测量机高精度、高平稳运动需求。为探究三坐标测量机中静压气浮导轨滑块的承载性能,建立了矩形气浮滑块结构模型,滑块内置小孔节流型气浮垫,运用COMSOL有限元仿真软件对其气浮静态承载特性进行仿真分析,验证了结构设计的合理性。     

节流器结构参数对Nanosys-1000液体静压导轨承载特性的影响

从实际加工角度出发,研究了节流器结构参数对Nanosys-1000超精密加工机床静压导轨承载特性的影响。利用流体分析软件建立导轨承载油垫的有限元模型并搭建了相关静压导轨实验台,研究了进口油压为1.7 MPa,油膜厚度为36μm时承载油垫的压力场分布特征,并通过对压力场积分得到油膜承载力,求导得到油膜刚度,从而揭示不同结构参数对静压导轨承载特性的影响。研究结果表明:节流器结构参数中节流孔孔径对机床承载特性影响最大,其次为节流孔孔长,出入口倒角对其影响甚微。导轨负载较小时,扩大节流孔孔径与缩短节流孔孔长有助于改善静压导轨承载特性;但在重载条件下,缩小节流孔直径,增加节流孔孔长反而更有利。将仿真数据与实验数据作对比,得到3个承载力测量点数据误差分别为7.9%,6.9%,8.6%。最后根据研究成果,确定了Nanosys-1000机床静压导轨节流孔结构参数。     

T型复合结构空气静压支承平台承载性能研究

为了深入研究空气静压轴承在径向和轴向复合工况下的承载性能和规律,设计并研制了一台T型复合结构空气静压支承平台装置。结合T型复合结构空气静压支承平台的三维模型,采用流体润滑理论和有限体积法对空气静压组合轴承与单独径向轴承进行了数值计算,研究了偏心率和供气压力以及转速等参数对空气静压轴承承载力和刚度的影响规律。结果表明：空气静压轴承随着偏心率和供气压力的增大其承载力呈逐渐增大规律;单独径向轴承的承载性能要优于组合轴承的承载性能。     

主动静压气体润滑支承的研究进展

主动静压气体润滑支承可提高其承载力、动刚度和抗扰动能力,成为近期流体润滑学术界的研究热点问题。综述真空预载、电磁预载和压电主动控制的静压气体润滑支承研究现状,分析压电主动控制的静压气体润滑支承的研究进展以及存在的问题,指出主动固有节流器、主动控制节流器或气膜形状可控节流器相结合的主动气体润滑支承,是静压气体润滑支承研究的重点和未来主要发展方向。     

气体静压止推轴承静态性能的数值仿真与实验研究

应用Fluent软件对小孔节流气体静压止推轴承进行了三维流场的模拟计算,分析了节流孔孔径、节流器工作面积、气源供气压力等因素对气体静压轴承性能的影响。结果表明:止推轴承的承载能力随着节流孔直径的增大而增大,在气膜间隙较小时,刚度随着节流孔孔径增大而减小,在气膜间隙较大时,刚度随着节流孔孔径的增大而增大;在保证加工精度的前提下,增大节流器工作面尺寸,以及在保证气源供气连续的前提下,增大气腔供气压力,都可以显著地改善止推轴承的静态性能。在自行研制的实验平台上进行气体静压实验,实验结果与数值模拟计算结果具有较好一致性,证明了将该数值计算方法的可行性。     

可变节流高度气浮支承结构设计及静态性能分析

为研究节流高度的变化对气浮支承性能的影响,设计一种可变节流高度的气浮支承。建立气浮支承CFD模型,分析节流口直径、节流高度、均压腔深度和供气压力的变化对气浮支承静态性能的影响。研究结果表明:气浮支承的承载能力随节流口直径、节流高度、均压腔深度和供气压力增大而增大;节流高度、均压腔深度、供气压力的增大能提高气浮支承刚度,而节流口直径的增大会导致刚度的降低;气浮支承的体积流量随节流口直径、节流高度、均压腔深度和供气压力增大而增大。     

单连续狭缝气体静压止推轴承的静态特性研究

提出一种单连续狭缝气体静压止推轴承,应用Gambit软件建立轴承三维气膜模型,并利用Fluent软件对模型进行仿真求解,研究狭缝位置、狭缝深度和狭缝宽度对轴承的承载力、刚度、耗气量等静态特性的影响。结果表明:随着狭缝所在圆半径的增大,耗气量增加,承载力和刚度均先增大后减小;随着狭缝宽度的增大,承载力逐渐增大并趋于平缓,刚度和耗气量先增大后减小;随着狭缝深度的增加,承载力和耗气量呈线性减小,刚度则先增大后减少。因此,选择合适的狭缝结构参数可以提高轴承的静态特性。基于仿真结果,设计并制造一种组合式单连续狭缝气体静压止推轴承,在气体轴承试验台上测试其在不同供气压力下、不同气膜厚度下的承载力。结果表明:轴承承载力随着气膜厚度的增大而减小,随供气压力的增大而增大。设计的连续狭缝气体静压止推轴承可以满足精度要求,其试验结果与仿真结果具有较好的一致性。     

变截面节流器对空气静压轴承承载性能的影响

为了分析可变截面节流器对空气静压轴承性能的影响,提出了变截面节流器的空气静压轴承模型,通过轴承承载表面弹性薄板的挠度变形实现节流器截面形状的动态变化。建立固体薄板变形和气体润滑的耦合偏微分方程,采用有限差分法和超松弛迭代法对耦合方程进行离散和数值求解。计算结果表明:节流器的截面形状直接决定了数值计算过程中喷嘴系数的大小,与刚性节流器的空气静压轴承相比,变截面节流器的空气静压轴承刚度提高了15%,在较高承载力的情况下能够获得更大的刚度。实验测试结果和理论分析基本一致,变截面节流器的设计方法能够有效提高空气静压轴承的静特性。     

微孔节流器静压气体止推轴承性能分析*

传统固有孔节流静压气体止推轴承研究的理论基础均建立在节流孔直径远大于气膜间隙的前提下,为了探究与气膜间隙同一数量级的微孔节流器静压气体止推轴承的静态性能,建立微孔节流静压气体止推轴承模型,通过CFD软件进行三维仿真,分析不同气膜间隙、孔径、供气压力对轴承静态特性的影响,并与环面节流器静压气体止推轴承进行对比。结果表明:无论是微孔节流器还是环面节流器,在节流孔出口处均有压降出现,但微孔节流器相对于环面节流器在节流孔出口边缘处速度和压力变化较为平缓;随着气膜间隙的增大轴承承载力减小,随着微孔节流器孔径减小轴承刚度增大,相同孔径下供气压力越大轴承承载力和刚度越大。     

润滑介质种类对气浮轴承性能的影响*

为研究润滑介质种类对于气浮轴承性能的影响,通过FLUENT对采用空气、二氧化碳、氢气与氦气作为润滑介质的气浮轴承进行数值计算,分别对静压轴承承载力随供气压力的变化趋势以及动压轴承承载力随转速的变化趋势进行分析;并对不同环境压力和温度下的二氧化碳润滑动压气浮轴承承载力变化趋势进行研究。数值计算结果表明:润滑介质种类对于静压、动压气浮轴承的承载特性均具有明显影响;不同润滑介质润滑下静压气浮轴承的承载力由大到小排序大致为空气、氦气、氢气、二氧化碳;不同润滑介质动压气浮轴承承载力变化趋势基本与润滑介质黏度变化趋势保持一致;二氧化碳润滑动压气浮径向轴承的承载力受环境温度与压力的影响主要体现在其工质黏度(随温度与压力)变化,二氧化碳润滑动压止推轴承的承载力随环境压力的增大近似呈线性增大。