应用有限体积法空气静压导轨力学特性的研究

空气静压润滑是精密工程领域的关键技术之一,润滑气膜的压强分布、承载能力、刚度等力学特性是决定导轨稳定性的主要因素。目前,空气静压导轨设计中常采用简化雷诺方程的工程计算方法,存在静态性能误差大的特点。本文针对润滑气膜的压强分布规律、承载力等主要力学特性参数进行研究。基于节流孔出射气流为冲击射流,引入计算流体力学的有限体积法,应用理想气体等温条件下的k-ε模型封闭控制方程组对润滑气膜的力学特性进行数值分析,得出不同气膜厚度下空气静压导轨工作面上的压强分布规律。数值结果表明：导轨内气膜从节流孔沿工作面到导轨边缘的压强分布规律非雷诺润滑方程所给出的均匀递减变化,而是在节流孔附近存在半径约为500µm的负压区、峰值约为0.05MPa;在静压导轨气膜厚度与承载力分析的基础上,指出气膜与导轨间的气固耦合所引发的导轨弹性自激振动是空气静压导轨实现纳米级定位的主要制约因素。     

气固耦合空气静压导轨气膜非定常流动分析

引入有限体积法,将空气静压导轨受力特性方程与气体流动方程相结合构成耦合方程体系,对导轨润滑气膜等温条件下的非定常流动进行数值分析,研究了气膜建立初期的导轨振动及气膜动刚度特性.结果表明:导轨工作面非定常气动力作用使导轨产生阻尼自激振动;导轨工作面压力、承载力、气膜厚度及气膜刚度随时间变化曲线振动周期相等,承载力与气膜厚度成反比;空气静压导轨刚度研究中应考虑动刚度对导轨特性的影响.     

空气静压导轨的应用研究

对小型三座标测量机的导轨进行改型设计,将原来的滚动导轨改为空气静压导轨,提出了一种新的空气静压导轨的优化设计方法,给出计算结果。介绍了气垫压力分布的理论分析和试验研究,其理论计算与试验结果趋向一致。     

空气静压导轨的精度研究

本文根据精密机械的精度理论和空气静压的工作方程,对影响导轨总精度的各个因素进行了较详细的探讨,并推导出了空气静压导轨的精度计算方程式。同时,对精度的综合和分配也提出了看法。     

空气静压导轨气膜波动的辨识

空气静压导轨的气膜波动已成为超精密加工工件波纹度的主要影响因素.为分析空气静压导轨性能,利用雷诺方程推导出双排节流孔结构形式的空气静压导轨气膜刚度计算公式,并对相应空气静压导轨进行静态刚度检测试验以验证建立的导轨气膜刚度模型的正确性与可行性.结合静压导轨的模态分析结果,建立空气静压导轨的动力学模型.根据气浮导轨系统的动力学方程,给出气浮溜板刚度及其在加工过程中随气膜厚度变化的波动频率的仿真步骤和结果,根据引起的振动幅值分析气膜波动对加工结果的影响.利用小波变换把加工工件面形检测结果分解为各尺度下低频信号和高频信号,并把各尺度下高频信号做功率谱密度分析,从导轨气膜波动频率出发辨识出导轨气膜波动信号所在的尺度,根据相应的功率谱密度幅值推导出对加工结果的影响程度.     

空气静压导轨气膜波动主要影响因素分析

针对空气静压导轨运动过程中出现的气膜波动问题,研究溜板气腔结构、节流器直径、供气压强对气膜内气旋及气膜波动的影响。通过仿真数据的对比分析发现气旋现象与气膜波动存在紧密的联系。从仿真结果得到了对气膜波动产生影响的因素有:节流孔的直径、气腔的结构形状和供气压强的大小。在上述的这些影响因素中供气压强的大小对气膜波动影响较大,最后试验对得出的这一结论进行了验证,与仿真结果吻合。这些分析为从导轨结构和工艺参数上对空气静压导轨的气膜波动进行抑制,提高导轨的稳定性及加工精度提供了理论依据。     

空气静压导轨中几种常用静压垫结构特性的比较

在相同边界条件和初始值时,对空气静压导轨中圆形,方形,圆环形,环矩形等几种常用的静压垫结构进行了数值仿真分析,得到了对应的压强和速度分布情况,并对结果进行了比较,认为环矩形结构静压垫具有更高的承载能力。     

弹性均压槽空气静压轴承静特性的影响因素分析

为了研究影响弹性均压槽空气静压轴承静态特性的因素,基于气固耦合原理,建立弹性均压槽空气静压轴承的耦合控制方程,采用有限差分对控制方程进行离散求解,分别研究供气压力、均压槽宽度和节流孔直径对弹性均压槽空气静压轴承静态特性的影响。结果表明:供气压力、均压槽宽度和节流孔直径对弹性均压槽空气静压轴承承载力和刚度的影响较大,供气压力越大,轴承的承载力和刚度也越大,但刚度最大时的工作气膜间隙越小;均压槽宽度越大,轴承刚度最大时的工作气膜间隙越大;节流孔直径越小,轴承刚度越大。实验结果和理论计算结果基本一致,验证了数学模型和理论方法的正确性。     

Frictional characteristics of an aerostatic linear bearing

Frictional characteristics of an aerostatic linear bearing are evaluated in detail by means of a developing method. In the method, the resultant force acting on the moving part of the bearing is measured highly accurately as the inertial force using an optical interferometer. The velocity dependence of dynamic friction is focused on in this paper. The component of dynamic frictional force, which is almost independent of the absolute value of velocity, is detected in the experiment, in addition to the force component that is proportional to velocity. Before this study, dynamic frictional force had only been explained as the viscous frictional force acting inside the air film, which is proportional to the velocity.     

小孔节流静压支承轴承力学性能的数值建模

为了讨论小孔节流空气静压支承轴承的节流器尺寸,气膜厚度与供气压等轴承参数对轴承力学性能的影响。针对圆柱腔小孔节流静压支承止推轴承,首先进行了轴承间隙流场的数值仿真与分析,其中以小孔尺寸,气腔尺寸,供气压及气膜厚为设计变量,利用正交实验设计的基本原理构造正交表,通过对轴承间隙流场的数值计算进行采样以获取轴承的承载力与刚度;其次在设计变量范围内基于径向基神经网络模型建立承载力与刚度的分析数学模型,在该分析模型中全面考虑了各轴承参数的作用,同时考虑了轴承间隙的流场结构对力学性能的影响,得到的模型经过拟合校验以证明具有足够的精度;最后基于该分析模型讨论了小孔与气腔尺寸对轴承承载力与刚度的影响,为工程设计提供了参考。     

超精密机床径推一体式空气静压轴承的静态特性(英文)

提出了一种新的径推一体式静压主轴支撑方式来优化机床主轴系统性能,以满足超精密飞切机床对气体静压轴承高刚度的要求.采用计算流体力学和有限体积法对气体静压轴承气膜内部的流场与压力场进行仿真,并研究其静态特性.为提高计算精度,完成了轴承宏观尺寸与气膜厚度相差几个数量级时气膜厚度方向2 μm间距的网格划分.仿真结果表明,在偏心状态下由于气膜压力的变化使节流孔气体流速在1～200 m/s内变化,机床所采用径推一体式轴承静态刚度达到3 508 N/μm.研究表明,通过增大轴承的供气压强和减小节流孔的直径可改善轴承的静态性能进而提升机床性能.     

空气静压径向轴承静态性能的有限元分析

针对空气静压轴承在静态性能方面存在的承载力小和刚度低等问题,对空气静压轴承的结构参数对其静态性能的影响等方面进行了研究,对空气在径向轴承中的流动状态进行了验证。提出了全参数三维实体建模的方法,利用有限元软件ANSYS开展了在不同空气流动状态下气体轴承流场的仿真计算,研究了节流小孔的轴向位置、节流孔径、供气的压力以及平均半径间隙这几种因素对气体径向轴承静态特性的影响,得出了相关因素的变化规律曲线,并进行承载性能对比,据此优选出了空气静压轴承的结构参数,研究结果表明,空气在径向轴承中的流动状态为可压缩紊流,工程理论计算的结果与数值仿真的结果进行比较误差为4%,说明了该仿真方法的有效性,为设计超高速微切削空气静压电主轴提供一定的理论依据。     

空气静压轴承孔型节流器的CFD研究

应用计算流体力学CFD软件,建立了空气静压轴承孔型节流器的流体边界模型,根据雷诺方程运用等温条件下的κ-ε湍流模型,给定合适的初始值和边界条件,计算得到了孔型节流器的速度场及压强场的分布,分析了节流孔直径对速度和压强的影响.     

基于球面轴承的空气静压主轴设计

在分析空气静压球轴承工作原理的基础上,设计了气体静压对置双半球球面轴承.通过理论分析及计算确定了气体静压球轴承的尺寸,为了提高气体静压球轴承的性能,研究了其结构设计,提出一些改进措施.通过改进结构,有助于提高气体静压球轴承的承载力和刚度,消除加工装配误差的影响.     

均压槽尺寸对空气静压导轨静态性能的影响

引入有限体积法,采用理想气体等温条件下的k—ε模型封闭流动控制方程组,对均压槽尺寸改变条件下空气静压导轨润滑气膜流场分布进行数值模拟,得到导轨工作面压力分布图及承载力、刚度变化曲线,数值模拟结果表明：导轨承载力及气膜刚度随均压槽尺寸的增大而先增大后减小,存在一个最佳值;随均压槽尺寸增大,导轨工作面压强分布趋于均匀;但当均压槽大于一定尺寸时,气膜湍动随机性引发导轨工作面压强不规则分布,易造成偏载、导致导轨性能不稳。该结论为空气静压导轨均压槽设计及导轨系统静态性能的提高提供依据。     

Accuracy prediction model of an orifice-compensated aerostatic bearing

In order to reduce the synchronous radial error motion of the orifice-compensated aerostatic bearing, an accuracy prediction model was built to discuss the direct relationship among the synchronous radial error motion, the roundness error, and the nozzle number. It was found that increasing the nozzle number delayed the appearance of the obvious peak of the averaging coefficient and roughly reduced the synchronous error motion. The optimized nozzle number was n_p = 2 × 3 × 5 × 7 × …, which was equal to the product of the prime numbers within the prime sequence. The existence of axial grooves and the increase in the nozzle row number didn't reduce the synchronous error motion, but it might cause an increase in the synchronous error motion. The accuracy prediction model gave a simple method for predicting the synchronous radial error motion of the orifice-compensated aerostatic bearing.     

气体静压推力轴承性能测试实验台设计

为解决气体静压推力轴承性能测试的问题,设计了一种气体静压推力轴承性能测试实验台。该实验台利用弹簧拉压平衡原理对轴承加载,并利用力传感器测定施加载荷大小;分别采用位移传感器和流量计实现对气膜间隙大小及耗气量的测量;使用单坐标工作台实现压力分布的连续测定。该实验台具有操作方便、自动化程度高及精度便于控制的特点。