空氣靜壓軸承具有高精度、無摩擦等獨(dú)特優(yōu)點(diǎn),其中球面軸承能夠同時承受徑向和軸向負(fù)載,具有三個轉(zhuǎn)動自由度和自動調(diào)心等優(yōu)點(diǎn)。因此采用這種結(jié)構(gòu)可以降低裝配難度,以利于提高主軸的回轉(zhuǎn)精度,這使它在精密加工及檢測領(lǐng)域得到了一定的應(yīng)用。為了掌握空氣靜壓球面軸承的數(shù)值分析方法、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和制造裝配等關(guān)鍵技術(shù),初步具備研制空氣靜壓球面軸承的能力,本文在中國工程物理研究院重點(diǎn)發(fā)展基金“高精度空氣靜壓主軸設(shè)計(jì)制造技術(shù)研究”的資助下,對空氣靜壓球面軸承進(jìn)行了有益的探索。 本文以氣體潤滑理論為基礎(chǔ),從一般形式的Reynolds方程出發(fā),結(jié)合球面軸承的結(jié)構(gòu)特點(diǎn),建立了空氣靜壓球面軸承的穩(wěn)態(tài)數(shù)學(xué)模型:推導(dǎo)了球面軸承無量綱形式Reynolds方程;提出了以MATLAB PDE工具箱為求解器迭代求解球面軸承Reynolds方程的計(jì)算方法;對MATLAB PDE工具箱進(jìn)行二次開發(fā),編制了計(jì)算球面軸承性能的軟件系統(tǒng);根據(jù)數(shù)值仿真結(jié)果研制了一套基于空氣靜壓球面軸承的主軸樣機(jī)。 通過坐標(biāo)變換將三維球面氣體潤滑問題轉(zhuǎn)化為二維矩形平面問題,再將球面軸承的Reynolds方程變換成標(biāo)準(zhǔn)的橢圓型偏微分方程形式,并由此在MATLAB中編制了球面軸承性能計(jì)算軟件系統(tǒng)。該軟件系統(tǒng)采用對剖迭代思想來確定母線邊上的壓力,通過質(zhì)量流量相等計(jì)算整個平面的壓力分布,進(jìn)而積分得到球面軸承的承載力和剛度。在此基礎(chǔ)上分別計(jì)算了空氣靜壓球面軸承在不同供氣壓力、平均氣膜間隙、節(jié)流孔孔徑、節(jié)流孔孔數(shù)、球面軸承面對z軸的張角下軸承的靜態(tài)性能。通過數(shù)值計(jì)算結(jié)果可以看出,軸承的承載力和剛度隨著供氣壓力的增加、平均氣膜間隙的減小、節(jié)流孔孔數(shù)的增多而增大,隨著節(jié)流孔孔徑和球面軸承張角的增加先增大后減小,存在極大值。 利用數(shù)值仿真結(jié)果優(yōu)化了球面軸承的結(jié)構(gòu)參數(shù),采用對置雙半球空氣靜壓球面軸承方式設(shè)計(jì)了一套可調(diào)球心距的主軸樣機(jī)。構(gòu)建了空氣主軸樣機(jī)系統(tǒng)的測試平臺,對軸承在不同供氣壓力、平均氣膜間隙和預(yù)偏心下的靜態(tài)性能進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究,在供氣壓力為0.4MPa、平均氣膜間隙為15μm、預(yù)偏心量為10μm、節(jié)流孔孔徑為0.2mm、節(jié)流孔分布為雙排8孔、球面軸承面對z軸的張角為16°的情況下,實(shí)驗(yàn)測試得到軸承最大的軸向和徑向承載力大于250N、剛度大于40N/μm。實(shí)驗(yàn)測得結(jié)果的變化規(guī)律與數(shù)值仿真結(jié)果相同,取得了較好的一致性。 靜態(tài)性能的理論分析、數(shù)值仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,本文所建立的空氣靜壓球面軸承的靜態(tài)數(shù)學(xué)模型是正確的,采用的數(shù)值計(jì)算方法是可信的,設(shè)計(jì)的主軸樣機(jī)基本合理,基本掌握了空氣靜壓球面軸承的設(shè)計(jì)技術(shù)。數(shù)值仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果為改善空氣靜壓球面軸承的性能設(shè)計(jì)提供了可靠的依據(jù),為球面軸承的設(shè)計(jì)人員提供了有價值的參考。
【學(xué)位單位】：中國工程物理研究院
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位年份】：2009
【中圖分類】：TH133.3
【部分圖文】：

3.4.1壓力分布在計(jì)算軸承靜態(tài)性能時，一般先解出壓力分布，然后對壓力積分進(jìn)而求得承載力和剛度。如圖3.5所示，為供氣壓力Ps=0.6MPa，徑向偏心率￡ =0.3，軸向偏心率月 =0.4，氣膜間隙ho=10娜時計(jì)算出的空氣靜壓球面軸承展開成平面后無量綱氣膜壓力P的三維分布。從圖中可以看出，從小孔流出的高壓氣體，向四周急劇減小。在兩排孔的中間形成了相對穩(wěn)定的穩(wěn)壓區(qū)，由于這部分區(qū)域面積較大且壓力相對較高，球面軸承的承載力主要是由這部分產(chǎn)生。而在軸承兩端，氣膜壓力劇減至與外界大氣相等。這也相當(dāng)好的解釋了后面的某些分析結(jié)果。圖3.5軸承間隙內(nèi)理論計(jì)算的壓力分布 Ps=0.6MPa

空氣靜壓球面軸承設(shè)計(jì)技術(shù)研究3.4.2供氣壓力對靜態(tài)性能的影響圖3.6、圖3.7為理論計(jì)算的不同供氣壓力下軸承承載力F(N)、剛度K(N小m)軸向偏心率￡l、徑向偏心率。的關(guān)系。從圖中可以看出，隨著供氣壓力的增大，承載和剛度相應(yīng)增大。承載力隨偏心率增大而增大，兩者在很大范圍內(nèi)基本成線性關(guān)系�？傮w趨勢上看軸向剛度隨偏心率增大先增加后減小存在極大值。而徑向剛度隨偏心率大逐漸減小，同徑向軸承相近。軸向偏心率與承載力的關(guān)系軸向偏心率與軸承剛度的關(guān)系

同徑向軸承相近。軸向偏心率與承載力的關(guān)系軸向偏心率與軸承剛度的關(guān)系1000800一Ps二O.4MPa~Ps，O石MPa一刊于-Ps二0.6MPa運(yùn)600只撰喝400200貼0.20.4軸向偏心率0.60.8Ps，0.4MPaPs，0.SMPaPs二0.6MPa

本文編號：2815619