【摘要】： 靜壓氣體球軸承能夠提供三自由度低摩擦的運(yùn)動工況,是衛(wèi)星三軸仿真氣浮臺的關(guān)鍵部件。球軸承的靜態(tài)特性及渦流力矩的大小直接影響三軸氣浮臺的性能指標(biāo)。本文針對具有良好動態(tài)特性的環(huán)面節(jié)流靜壓氣體球軸承,通過理論分析和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的方式,研究了靜態(tài)特性及制造安裝誤差對渦流力矩的影響,為球軸承的設(shè)計(jì)、制造及安裝提供了指導(dǎo)依據(jù)。主要研究內(nèi)容包括以下幾個(gè)方面: 給出了氣體球軸承三維模型的求解方法。考慮到球軸承氣膜厚度方向的尺度遠(yuǎn)小于其他兩個(gè)方向的特點(diǎn),在網(wǎng)格劃分時(shí),主要采用適合大縱橫比的六面體和棱錐形單元,并將結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格與非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格相結(jié)合,大大減少了網(wǎng)格的數(shù)量,提高了計(jì)算效率。利用有限體積法對三維穩(wěn)態(tài)可壓縮Navier-Stokes方程進(jìn)行離散,并將適用于可壓縮氣體的改進(jìn)的SIMPLE算法用于離散方程的求解,得到了球軸承氣膜內(nèi)的壓力場和速度場。 給出了環(huán)面節(jié)流靜壓氣體球軸承靜態(tài)特性指標(biāo)的計(jì)算方法,對球軸承的壓力分布、速度分布、承載力、靜態(tài)剛度和質(zhì)量流量特性進(jìn)行了計(jì)算分析。通過與基于經(jīng)典二維雷諾方程的有限元法的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對比,驗(yàn)證了本文提出的三維模型求解方法的準(zhǔn)確性。研究了制造誤差對球軸承靜態(tài)特性的影響,結(jié)果表明在加工過程中應(yīng)盡量避免球頭尺寸的負(fù)偏差及長球面型誤差,可以適當(dāng)存在球頭尺寸的正偏差和扁球面型誤差;可以適當(dāng)存在球窩尺寸的負(fù)偏差和長球面型誤差,而盡量避免球窩尺寸的正偏差和扁球面型誤差。針對傳統(tǒng)環(huán)面節(jié)流靜壓氣體球軸承靜態(tài)剛度較小的缺點(diǎn),提出了一種新型的高剛度過盈型環(huán)面節(jié)流靜壓氣體球軸承,計(jì)算表明該軸承具有承載力大、靜態(tài)剛度高、耗氣量小等優(yōu)點(diǎn)。 研究了球軸承的制造安裝誤差對渦流力矩的影響。給出了渦流力矩的計(jì)算方法,對比了不同網(wǎng)格劃分方式的計(jì)算精度,分析了供氣孔的直徑和位置誤差、球頭圓度誤差及球窩的安裝誤差對渦流力矩的影響。研究表明現(xiàn)有加工條件可以滿足供氣孔的加工精度,但為達(dá)到球軸承的渦流力矩指標(biāo),球頭的加工和球窩的安裝精度很難保證。本文的研究為球軸承設(shè)計(jì)制造時(shí)公差的選擇提供了理論依據(jù),為球窩的安裝提出了精度要求。 提出了減小氣體球軸承渦流力矩的補(bǔ)償方法。對由于供氣孔加工誤差及球窩安裝誤差引起的渦流力矩,采用供氣孔獨(dú)立供氣的方式進(jìn)行補(bǔ)償。對于球頭圓度誤差引起的渦流力矩,通過調(diào)整氣浮平臺的質(zhì)心位置進(jìn)行補(bǔ)償。研究表明補(bǔ)償后的渦流力矩明顯減小。研究了氣體介質(zhì)及軸承工作點(diǎn)對渦流力矩的影響,結(jié)果表明以氮?dú)庾鳛楣ぷ鹘橘|(zhì)可以使渦流力矩稍有減小,但成本較高,因此選用空氣作為軸承的工作介質(zhì)。并指出為減小球軸承制造誤差引起的渦流力矩,應(yīng)盡量選取供氣壓力低、中心氣膜厚度小的工作點(diǎn)。 建立了承載力特性和渦流力矩實(shí)驗(yàn)臺,對靜壓氣體球軸承的承載力特性、球窩安裝誤差引起的渦流力矩及獨(dú)立供氣對渦流力矩的補(bǔ)償進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。承載力特性的實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論計(jì)算結(jié)果基本吻合,表明本文提出的環(huán)面節(jié)流靜壓氣體球軸承的承載力計(jì)算方法是正確的。設(shè)計(jì)制造了低成本的復(fù)合材料球窩,并成功應(yīng)用于渦流力矩實(shí)驗(yàn)臺。在球窩安裝誤差引起的渦流力矩的實(shí)驗(yàn)中,由于球軸承制造誤差的存在,導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)測得的渦流力矩大于理論計(jì)算值,但二者的變化趨勢基本一致。在獨(dú)立供氣對渦流力矩的補(bǔ)償實(shí)驗(yàn)中,設(shè)計(jì)制造了新的球窩供氣組件,提出了采用獨(dú)立供氣的方式補(bǔ)償球窩安裝誤差引起的渦流力矩的方法,實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明補(bǔ)償效果很好,補(bǔ)償后的渦流力矩僅為補(bǔ)償前的7.92%。
【圖文】：

的太陽模擬器、五個(gè)不同星等的星光模擬器等。整個(gè)氣浮臺安裝在臺下具有防震地基的 6.7 米直徑的球形真空容器中，真空度為 0.75 毫米汞柱。圖1-1 最早的三軸氣浮臺[5]圖1-2 承載力最大的三軸氣浮臺[6]Fig.1-1 The earliest three-axis test-bed[5]Fig.1-2 The three-axis test-bed with thelargest bearing capacity[6]圖 1-3所示的 ASTREX 氣浮臺是由美國空軍研究實(shí)驗(yàn)室于 20 世紀(jì) 90 年代早期研制成功的。該氣浮臺所使用的球軸承直徑為 480mm，有效載荷為6800 kg ，允許的偏航角為 360°、俯仰角和滾動角均為±20°。ASTREX 氣浮臺的主要應(yīng)用范圍包括魯棒非線性控制和模型降階技術(shù)以及耦合姿態(tài)控制/能量儲存配置和鑲嵌傳感器輕型復(fù)合結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和執(zhí)行[7,8]。為使氣浮臺能夠適用于不同類型衛(wèi)星的全物理仿真，霍尼韋爾空間實(shí)驗(yàn)室于 2003 年研制了基于桁架結(jié)構(gòu)的 MCS/LOS 氣浮臺。MCS/LOS 氣浮臺是迄今為止最為先進(jìn)的多功能氣浮臺，整個(gè)平臺由一些標(biāo)準(zhǔn)的單元體組合而成，每一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)單元體可用結(jié)構(gòu)阻尼器替代。如圖 1-4所示，通過設(shè)計(jì)不同的組合方案，使氣浮臺的各軸與衛(wèi)星對應(yīng)各軸具有相等的轉(zhuǎn)動慣量，可以模擬不同的衛(wèi)星。該平臺主要用于動力控制系統(tǒng)及視距實(shí)驗(yàn)，還將用于對下一代敏捷、精確定位衛(wèi)星系統(tǒng)軟硬件體系的研究和論證。該氣浮臺的有效載荷為 1360kg

圖1-1 最早的三軸氣浮臺[5]圖1-2 承載力最大的三軸氣浮臺[6]Fig.1-1 The earliest three-axis test-bed[5]Fig.1-2 The three-axis test-bed with thelargest bearing capacity[6]圖 1-3所示的 ASTREX 氣浮臺是由美國空軍研究實(shí)驗(yàn)室于 20 世紀(jì) 90 年代早期研制成功的。該氣浮臺所使用的球軸承直徑為 480mm，有效載荷為6800 kg ，允許的偏航角為 360°、俯仰角和滾動角均為±20°。ASTREX 氣浮臺的主要應(yīng)用范圍包括魯棒非線性控制和模型降階技術(shù)以及耦合姿態(tài)控制/能量儲存配置和鑲嵌傳感器輕型復(fù)合結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和執(zhí)行[7,8]。為使氣浮臺能夠適用于不同類型衛(wèi)星的全物理仿真，霍尼韋爾空間實(shí)驗(yàn)室于 2003 年研制了基于桁架結(jié)構(gòu)的 MCS/LOS 氣浮臺。MCS/LOS 氣浮臺是迄今為止最為先進(jìn)的多功能氣浮臺，整個(gè)平臺由一些標(biāo)準(zhǔn)的單元體組合而成，每一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)單元體可用結(jié)構(gòu)阻尼器替代。如圖 1-4所示，通過設(shè)計(jì)不同的組合方案，使氣浮臺的各軸與衛(wèi)星對應(yīng)各軸具有相等的轉(zhuǎn)動慣量，，可以模擬不同的衛(wèi)星。該平臺主要用于動力控制系統(tǒng)及視距實(shí)驗(yàn)，還將用于對下一代敏捷、精確定位衛(wèi)星系統(tǒng)軟硬件體系的研究和論證。該氣浮臺的有效載荷為 1360kg
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2010
【分類號】：TH133.3

【參考文獻(xiàn)】

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3 謝祥華;微小衛(wèi)星姿態(tài)控制系統(tǒng)研究[D];南京航空航天大學(xué);2007年

本文編號：2655812