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。     

双向均压槽节流静压气体轴承静态特性分析

为进一步优化径向静压气体轴承的静态性能,提出在传统小孔节流的基础上配合开设轴向和周向均压槽的复合节流式静压气体径向轴承。利用Fluent软件对比分析传统孔式节流与不同形式复合节流静压气体轴承的静态特〖JP2〗性,探究均压槽截面形状及供气压力对轴承静态特性的影响规律;利用正交试验探究节流器各结构参数对承载特性的影响。结果表明：复合节流式静压气体轴承在一定程度上提升了轴承的静态性能,其中均压槽以“口”字形布置以及截面形状为矩形时效果最优;供气压力的增大也可提升轴承静态特性;节流孔直径和均压槽深度对轴承静态特性的影响要大于节流孔深度和均压槽宽度,节流孔直径以及均压槽深度的增大均使得承载力与刚度呈现出先增大后减小的趋势。     

复合节流式静压气体轴承静态特性分析

为进一步提升静压气体轴承的静态性能,以普通孔式节流为基础,配合表面周向和径向槽节流,提出复合节流式静压气体轴承,以充分发挥2种节流方式的优点,使静压气体轴承具有更好的承载能力和刚度。利用Fluent计算轴承内流场参数并分析流场特性,比较复合节流式与普通孔式节流静压气体轴承的承载能力和刚度,并研究孔式参数和表面槽参数对复合节流式静压气体轴承静态特性的影响。结果表明：在一定气膜厚度范围内,复合节流式静压气体轴承对于提升承载力、增强刚度有着显著的效果;复合式节流因为有表面槽二次节流的存在,均压效果更好。增加节流孔数、节流孔直径、节流孔分布圆半径,以及在气膜厚度较小时增加表面槽长、槽宽、槽深,均有利于增加轴承承载力;在气膜厚度较小时,增加节流孔数、减小节流孔直径,以及增加表面槽长和槽宽、降低槽深,均有利于增加轴承刚度。     

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。     

静压球面气体轴承工作特性数值分析

针对传统的主控雷诺方程推导过程中使用的连续性方程在静压气体轴承的节流孔处并不适用的问题,对雷诺方程进行修正。基于保角变换方法、牛顿迭代法、有限差分法和松弛迭代法对轴承气膜流场区域修正雷诺方程进行计算,得到在不同供气压力下节流孔分布锥顶角处气膜压力沿周向的分布,分析供气压力、径向偏心率和节流孔直径对静压球面气体轴承径向承载力、轴向承载力和耗气量的影响。结果表明：静压球面气体轴承的径向和轴向承载力受到静压效应和动压效应的耦合影响;供气压力越大,径向和轴向承载力越大,耗气量量越大;径向偏心越大,径向和轴向承载力越大,径向偏心率对耗气量影响很小;节流孔直径越大,径向承载力、轴向承载力和耗气量越大。     

节流孔分布对矩形止推气浮静压轴承承载力的影响

为了分析矩形止推气浮静压轴承的承载性能,研究节流孔分布结构对轴承承载性能的影响,通过SolidWorks三维建模软件建立了气浮轴承的流场模型。通过FLUENT软件对气浮轴承的流场模型进行仿真分析,求解得到了不同节流孔分布结构的轴承气膜压力分布及其承载力。分析结果表明,在节流孔个数相同的情况下,当分布结构由多组沿圆周方向均匀分布的节流孔组成时,气膜间隙中间的压力更高,气浮轴承的承载力也更大;说明对节流孔分布结构进行优化设计能提高气浮轴承的承载力。     

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.     

二维运动平台气浮静压导轨承载性能计算与研究

为了进一步探索和研究气浮静压润滑支承机理及气浮静压导轨承载性能,提出并研制了一种具有气浮静压润滑支承的精密二维运动平台。结合气浮静压导轨的物理模型建立了其笛卡儿坐标系下的控制方程,采用有限差分方法和流量平衡原理对其控制方程进行了离散差分推导,运用超松弛迭代以及二分快速寻找收敛区间法对其承载性能进行数值计算并开展了实验研究。结果表明：气浮静压导轨承载性能受节流器类型的影响比较显著,多节流孔节流器的承载性能明显优于单节流孔节流器;供气压力对气浮静压导轨承载性能影响显著,供气压力越高其承载性能越强;同等条件下气浮静压导轨组合形式承载性能均优于单独形式承载性能;气浮静压导轨的承载性能实验测试结果和数值计算结果具有较好的一致性,验证了数值计算的有效性。相关研究对推动和促进气浮静压轴承和导轨在精密运动机构和测量设备的研究和工程应用具有较好的借鉴和指导意义。     

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。     

小孔节流方式对气体静压轴承工作刚度影响的分析

本文对小孔节流方式中的简单孔节流和环形孔节流形式对气体静压轴承工作风度的影响进行了理论分析,通过比较从而得出,采用简单孔节流方式的轴承比环形孔节流方式的轴承具有更高的工作刚度。     

气体静压轴承与主动磁轴承混合支撑轴系结构设计及静态性能研究

针对由气体静压轴承作为支撑的气浮精密主轴存在承载力相对较小及可控性不高的问题,结合带有周向微通槽的气体静压轴承与基于增量式PID控制的主动磁轴承,设计一款气磁混合支撑主轴。为提高小孔节流气体静压轴承的承载力,将气体静压轴承内表面的稳压室用矩形、三角形、半圆形截面动压微通槽相连通,通过FLUENT仿真分析3种截面动压微通槽对轴承承载能力的影响;以主轴的回转精度为衡量标准,在Matlab Simulink中仿真分析增量式PID控制的主动磁轴承的性能。结果表明:3种截面动压微通槽能有效提高气体静压轴承的承载能力,其中同等条件下矩形截面效果最好,可使轴承的承载力提高54%;基于增量式PID控制的主动磁轴承能够有效提高主轴的稳态响应速度及回转精度,使其在启动40 s后保持0.2μm的回转精度。     

小孔节流静压气体轴承压降效应的数值分析*

孔式节流静压气体轴承存在的压降效应会降低轴承承载性能。为探讨不同轴承结构参数对节流孔出口处压降效应的影响,以小孔节流静压气体轴承为研究对象,采用有限差分法、超松弛迭代法对轴承气膜流场进行计算,得到不同轴承结构参数下气膜压力分布。结果表明：节流孔直径和数量、偏心率、节流孔位置以及平均气膜厚度均对节流孔的压降效应产生重要影响;压降效应随节流孔直径和数量的增大而减小,随平均气膜厚度和偏心率的增大而增大,随空气温度升高而降低;节流孔越靠近轴承端面,压降效应越强;转速变化对节流孔压降基本不产生影响,表明压降效应主要与轴承的静态特性有关,与动态性能关系很小。     

基于正交试验的静压径向气体轴承数值分析*

以气动涡轮支承结构静压径向气体轴承为研究对象,建立静压径向气体轴承的微分模型,利用工程数值方法计算轴承承载力、刚度和气体质量流量,运用正交试验法研究节流器参数对轴承性能的影响,以及不同优化方向下轴承的综合性能。结果表明：不同的优化方向节流器参数的敏感性不同,以气体质量流量为优化方向明显不符合设计需要,以承载力为优化方向得到的轴承综合性能最好;平均气膜厚度、节流孔直径和数量是影响轴承承载特性的主要因素,节流孔直径越小承载性能越好。     

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。     

基于气固耦合的静压气体轴承静态性能仿真研究

为了探究静压气体轴承的静态性能,运用CFD软件进行气固耦合仿真,对可变节流静压气体止推轴承的静态性能相关影响因素进行研究,得到不同状况下的轴承静态性能变化规律.结果表明:可变节流静压气体轴承速度流场变化过渡更为平稳,可有效促进工作时稳定性;提高供气孔压力可以提高轴承的承载力和刚度,同时耗气量会明显增加;增大节流孔的直径...     

内反馈静压轴承原理及设计计算

一般的定压式静压轴承的节流器和轴承往往是两体的,因此通常称作为具有外部节流器的静压轴承。目前在机床上开始应用的内反馈静压轴承是一种新型的定压式静压轴承。它的结构是在轴承上,除了具有一般静压轴承的工作油腔外,还设有反馈油腔,它是利用反馈油腔的封油面和主轴之间的间隙来实现节流的,随着主轴上的负载变化,主轴和轴承的间隙也随之变化,因此它也属于可变节流,由于以上原因。它的油膜刚性要比固定节流(如小孔、毛细管节流式)大得多。同时由于具有节流作用的封油面周长较长,因此节流器堵塞的可能性就较小。     

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。     

伴随孔对小孔节流气体静压轴承内部气旋现象的抑制

气浮轴承的微振动现象严重制约轴承工作精度的提高,而轴承压力腔内部的气旋现象是轴承存在微振动的主要原因。为抑制气旋现象,提出一种带伴随孔的复合节流静压止推轴承,采用数值模拟的方法研究伴随孔的直径和位置对气旋的抑制作用以及对轴承静态性能的影响。结果表明：采用主进气孔与增加伴随孔的复合节流方式会使承载力和出口流量小幅下降,但带伴随孔的复合节流静压止推轴承对压力腔内的气旋现象有明显的抑制作用;其他条件不变,随伴随孔直径及伴随孔与主进气孔轴线间距的增大,承载力与出口流量总体呈现先下降再上升的趋势;随伴随孔直径的增大,轴承压力腔内气旋受到的抑制效果先增强后减弱,随着小孔与主孔距离的增大,对气体旋的抑制作用不断减弱。     

不等封油边静压轴承的设计及应用

通常在静压轴承的设计和计算中,一般都是把主轴看成刚体,忽略主轴在轴承中的弯曲挠度对轴承油膜刚度的影响。而我们研制的不等封油边静压轴承,则不仅考虑了主轴挠度的影响,而且变主轴挠度这个不利因素为提高轴承油膜刚度的有利因素。因此,不等封油边静压轴承的设计,是在固定节流静压轴承的基础上,通过改善轴承本身结构(即轴向封油边不相等),来提高轴承的刚度性能的。与采用固定节流形式的有周向回油槽及无周向回油槽静压轴承相比,不等封油边静压轴承的油膜刚度要大40～90％。     

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。