空氣靜壓軸承具有高精度、無摩擦等獨特優(yōu)點,其中球面軸承能夠同時承受徑向和軸向負載,具有三個轉動自由度和自動調心等優(yōu)點。因此采用這種結構可以降低裝配難度,以利于提高主軸的回轉精度,這使它在精密加工及檢測領域得到了一定的應用。為了掌握空氣靜壓球面軸承的數值分析方法、結構設計和制造裝配等關鍵技術,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發(fā)展基金“高精度空氣靜壓主軸設計制造技術研究”的資助下,對空氣靜壓球面軸承進行了有益的探索。 本文以氣體潤滑理論為基礎,從一般形式的Reynolds方程出發(fā),結合球面軸承的結構特點,建立了空氣靜壓球面軸承的穩(wěn)態(tài)數學模型:推導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方程的計算方法;對MATLAB PDE工具箱進行二次開發(fā),編制了計算球面軸承性能的軟件系統(tǒng);根據數值仿真結果研制了一套基于空氣靜壓球面軸承的主軸樣機。 通過坐標變換將三維球面氣體潤滑問題轉化為二維矩形平面問題,再將球面軸承的Reynolds方程變換成標準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,通過質量流量相等計算整個平面的壓力分布,進而積分得到球面軸承的承載力和剛度。在此基礎上分別計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、球面軸承面對z軸的張角下軸承的靜態(tài)性能。通過數值計算結果可以看出,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。 利用數值仿真結果優(yōu)化了球面軸承的結構參數,采用對置雙半球空氣靜壓球面軸承方式設計了一套可調球心距的主軸樣機。構建了空氣主軸樣機系統(tǒng)的測試平臺,對軸承在不同供氣壓力、平均氣膜間隙和預偏心下的靜態(tài)性能進行了實驗研究,在供氣壓力為0.4MPa、平均氣膜間隙為15μm、預偏心量為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,實驗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。實驗測得結果的變化規(guī)律與數值仿真結果相同,取得了較好的一致性。 靜態(tài)性能的理論分析、數值仿真和實驗結果表明,本文所建立的空氣靜壓球面軸承的靜態(tài)數學模型是正確的,采用的數值計算方法是可信的,設計的主軸樣機基本合理,基本掌握了空氣靜壓球面軸承的設計技術。數值仿真和實驗結果為改善空氣靜壓球面軸承的性能設計提供了可靠的依據,為球面軸承的設計人員提供了有價值的參考。
【學位單位】：中國工程物理研究院
【學位級別】：碩士
【學位年份】：2009
【中圖分類】：TH133.3
【部分圖文】：

3.4.1壓力分布在計算軸承靜態(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。這也相當好的解釋了后面的某些分析結果。圖3.5軸承間隙內理論計算的壓力分布 Ps=0.6MPa

空氣靜壓球面軸承設計技術研究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。的關系。從圖中可以看出，隨著供氣壓力的增大，承載和剛度相應增大。承載力隨偏心率增大而增大，兩者在很大范圍內基本成線性關系�？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系軸向偏心率與軸承剛度的關系

同徑向軸承相近。軸向偏心率與承載力的關系軸向偏心率與軸承剛度的關系1000800一Ps二O.4MPa~Ps，O石MPa一刊于-Ps二0.6MPa運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