空气轴承的弹性均压槽力学性能分析与测试

该文设计了一种新型空气轴承.建立了弹性环形薄板的有限差分数值计算模型.设计了含有均压槽气体润滑轴承的计算模型和弹性环形薄板的有限差分数值计算模型的耦合计算过程.探索了用多重网格法求解四阶偏微分方程(弹性薄板变形控制方程)的迭代过程,取得成功.对新型气体静压推力轴承的环形弹性均压槽弹性变形的检测结果表明:均压槽的宽度、深度都能随设计压力的改变产生满足控制要求的尺度变化,表明这种结构的设计、制造和检测都是成功的.     

新型空气静压推力轴承承载能力的实验研究

用弹性薄板实现的可变均压槽与固定均压槽结合应用的新型空气静压推力轴承具有高刚度的优点,本文运用空气静压推力轴承性能测试试验台测试空气推力轴承的气膜间隙,气膜压力分布,承载能力。对新型气体静压推力轴承的承载能力进行了实验研究和分析,结论证明该新型气体静压推力轴承的计方案能够提高轴承的承载能力。     

大重型静压支承静态性能及油膜流体仿真

为了解决大重型数控转台的单油腔静压推力轴承无法承受偏载荷问题,提出了单油腔静压支承与静压径向轴承复合设计方案。同时,为了方便静压径向轴承油腔加工,提出了一种新式回型槽油腔结构。此种结构的油腔加工区域仅占单油腔总面积的10%,而承载区域达到75%以上。然后,综合应用三维造型软件Pro/ENGINEER和CFD软件FLUENT,模拟分析圆环形静压支承和回型槽油腔的流速分布及压力分布,揭示了两种油腔结构内部油液流动规律,并计算各自的静态性能,实验验证表明,该设计方案正确性与合理性。     

准气体动力循环Power MEMS气体静压轴承

为追求微细尺度条件下超高能量密度的目标,提出了Power MEMS准气体动力循环发动机的概念.鉴于Power MEMS准气体动力循环发动机能够自行提供高压气源的结构特征以及气体静压轴承在性能上的优点,提出了将气体静压轴承应用于该Power MEMS发动机的研究和Power MEMS准气体动力循环发动机中气体静压径向轴承和止推轴承的结构形式的选择,指出了微细尺度下气体静压轴承的设计要点;运用气体静压润滑的基本原理对气体轴承的结构及运行参数进行了分析,获取了径向轴承和止推轴承的参数设计;通过气体轴承静态性能的计算,从承载能力方面验证了将所设计的气体轴承应用于Power MEMS准气体动力循环发动机中的可行性.     

多孔质石墨静压气体推力轴承静态特性

为了研究多孔质石墨静压气体推力轴承的静态特性,建立了相对应的理论计算模型.基于该模型分析了多孔质石墨密度、表面限制层、供气压力以及气体质量流量等因素对多孔质石墨静压气体推力轴承静态特性的影响.理论计算结果表明,轴承承载力与石墨密度成负相关、与供气压力成正相关,并在有表面限制层时较大;气体质量流量与石墨密度成负相关、与供气压力成正相关,并在有表面限制层时较大;轴承的刚度与石墨密度、供气压力成正相关,并在有表面限制层时较大.进一步设计实验台,绘制出多孔质石墨静压气体推力轴承的气膜厚度与承载力的静态特性曲线图.对比发现,实验结果与理论结果吻合较好,从而验证了数值计算方法的可靠性.     

微气体螺旋槽推力轴承-转子系统非线性动力学分析

基于分子气体膜润滑模型探讨微气体螺旋槽推力轴承中的稀薄效应,将广义雷诺方程与运动学方程在时域内耦合并采用直接数值模拟方法联立求解,获得了任意时刻微转子的瞬态位移和速度响应,考察了气体稀薄效应以及不同螺旋槽结构参数对微气体螺旋槽推力轴承-转子系统非线性动力学行为的影响,并得到不同转速对应的轴向扰动临界值.结果表明:考虑稀薄效应时微轴承-转子系统显示出更好的稳定性;转速增加,轴向扰动临界值降低;能提高微轴承承载力的最佳螺旋槽结构参数,并不利于提高微系统的稳定性.     

毛细管进气气体静压轴承设计和分析

本文提出一种适用于气体静压轴承的毛细管结构,推导了使用该毛细管的气体静压轴承的尺寸比,进而分析了设计方法,并用计算实例对毛细管和缝式进气方式进行比较,最后利用中央进气圆形推力轴承对本文提出的毛细管进气结构作了可行性试验,并通过试验验证了有关理论公式的正确性。     

新型箔片动压止推气体轴承承载特性的试验研究

根据箔片轴承的结构特点,首次提出了一种具有鼓泡弹性支承的箔片轴承新结构,并在止推轴承试验台上对新型鼓泡弹性支承止推气体轴承开展了试验研究,对该轴承的稳定性及承载能力进行了初步测试和分析.与通常具有弹性支承的波箔箔片轴承结构相比较,该新型箔片止推轴承具有结构简单、加工方便的特点.基于弹性力学的考虑,通过改变半球型鼓泡的高度、直径及鼓泡的排列分布等一系列的参数来适应载荷的需要.承载特性的试验研究显示,所开发的止推气体轴承可通过鼓泡自身弹性变形很好地调节刚度和阻尼,并具有较好的稳定性和承载能力.     

微小型涡轮发动机圆锥气体静压轴承的特性研究

对用于微小型涡轮发动机的圆锥气体静压轴承的特性开展了理论及实验研究.设计了圆锥气体静压轴承的结构型式,提出了圆锥气体静压轴承的润滑模型及其数值解法,获得了圆锥气体轴承承载力和气体质量流量性能,考察了气膜厚度、供气压力和节流孔数目对轴承性能的影响.建立了圆锥气体轴承测试平台,获得了轴承的质量流量-供气压力曲线,为理论模型的验证提供了实验手段.结果表明,增加供气压力和节流孔数目可提高承载力和气体质量流量;圆锥轴承测试结果与理论结果趋势一致,数据吻合.      

动静压支承滑动轴承性能分析

对用于承载部件的动静压支承滑动轴承进行了弹性流体润滑分析.采用有限元方法产生柔度矩阵计算动静压支承滑动轴承的弹性变形,并在考虑滑动轴承弹性变形下,得出其动压效应随轴承转速的变化、承载能力随偏心率的变化以及静刚度随偏心率的变化情况.结果表明,在弹性流体润滑分析中,用柔度矩阵法可以准确计算动静压支承滑动轴承的弹性变形以及承载性能.     

理想气体条件下平行圆盘止推气体轴承承载力特性研究

在高供气压力和大间隙下,平行圆盘止推气体轴承间隙中呈现出超音速主流区与边界层的复杂作用而导致高度复杂的流场。为探讨超音速主流区的特性,采用绝热理想气体和简化轴承模型分析环境背压不变时气膜间隙中流动状态与供气总压的依赖关系,推导出以供气总压和马赫数为主要变量的不同流态下轴承承载力的计算公式。结果表明,随着供气总压的变化,间隙内可能出现4种不同的流动状态,具体由供气总压与3个特征滞止压强的比值来决定;3个特征滞止压强与出口背压的比值仅取决于圆盘的内外半径比。当供气总压在环境背压和第2特征滞止压强之间时,随着供气总压的增大,轴承承载力从0降至最低负值;当供气总压大于第2特征滞止压强时,轴承承载力随着供气总压的提高而线性增大。     

二维无旋超音速扩散对称流动控制方程及其特征线方程和相容性方程

通过改变止推气体轴承等间隙的流道结构,对变气膜厚度圆盘止推气体轴承中二维无旋超音速扩散对称流动控制方程进行推导,得出其特征线方程和相容性方程,对所得特征线方程和相容性方程用等间隙气膜内一维超音速流动的解析解进行验算.结果表明,当内点间距合适时,特征线法数值求解与解析解结果十分接近,推导的特征线方程和相容性方程正确.     

气体静压球面轴承设计理论及其应用

为解决地面模拟空中飞行控制装置的支承问题,试制了气体静压万向球轴承。首先借鉴已比较成熟的气体静压轴颈轴承和气体静压止推轴承的设计方法,根据拓扑理论和力系等效原理将球体转化为等效的圆柱体,对气体静压球轴承进行近似设计。最后应用该设计理论,成功加工出气体静压球面轴承。     

自主静压气体轴承参数优化及静态性能分析

该文提出一种位置反馈自主控制静压气体轴承技术原理,能有效提高轴承的支撑刚度及回转精度.通过有限元数值计算法,按气体轴承刚度最大准则优化了固有节流轴承参数.在此基础上,给出了三种主动节流方式下的承载能力特性.计算结果表明:轴承固有节流参数优化是合理的,它能为自主控制轴承实现无穷刚度提供良好的负载范围.三种主动节流方式也为自主控制气体轴承提供了多样性选择.     

Design and implementation of an active rectangular aerostatic thrust bearing stage with electromagnetic actuators

The design and implementation of an active rectangular aerostatic thrust bearing stage with electromagnetic actuators are presented. The stage is fundamentally precise and simple since the out-of-plane degree-of-freedoms (DOF) of a thrust air bearing are closed-loop controlled by electromagnetic actuators. The design is one-moving-part with mechanical symmetry, and a commercially available air bearing is rigidly attached to the table. The actuators are four independent coils mounted to the guiding surface of the table with iron cores, which are directly machined on the table. A bench level prototype system is developed and out-of-plane axes decoupled models of the system are derived. A control algorithm synthesized by arbitrarily placing closed-loop poles according to the model with air bearing dynamics neglected is implemented by C programming language running on the DOS platform. The stage is capable of vertical direction precision micro-positioning and guiding 3-DOF plane motions without limiting the working range of plane motions. Positioning accuracy of the stage no longer depends upon design and manufacturing of an air bearing, while passive preload of the stage for a flat film aerostatic thrust bearing is eliminated. Supported by the National Natural Science Foundation of China (Grant No. 50475083)