真空预载荷静压气体轴承的研究

论文摘要

静压气体轴承具有高精度、高速度、高运动分辨率、爬行小、污染少、热稳定好等优点,从而广泛应用于精密测量仪器、超精密加工和微细加工等工程场合。以静压气体止推轴承为基础的静压气体导轨得到快速发展。但是,无论是平面封闭型、圆筒封闭型还是重力平衡型气体导轨都存在着结构复杂,加工难度大等问题。本文采用真空预载荷技术,静压气体止推轴承结构中加入真空腔,不但有效地简化静压气体导轨结构,并且使得导轨的承载特性得到很大提高。本文以环矩形气体轴承和圆盘形气体轴承为例,详细的分析加入真空腔对静压气体轴承承载特性的的影响关系,主要做以下工作:首先,根据压力边界条件,应用加权余量法对无因次化的雷诺方程进行降阶;然后,引入气膜压力插值函数,采用有限单元法把气体润滑问题转换为具有非线性项的压力方程组。采用MATLAB软件对压力方程进行编程求解。该程序能够计算不同真空腔面积下,气体轴承的静态特性。对环矩形真空预载荷气体轴承进行了仿真分析,分析了真空腔面积大小对承载特性的影响,以及不同设计参数下气体轴承的静态特性变化规律,然后比较了真空预载荷的作用效果。对圆盘形真空预载荷气体轴承进行计算分析,主要研究了不同真空腔面积对轴承特性的影响,详细分析气体轴承静特性变化规律及真空预载荷效果。最后,加工出实验样品,进行实验测试,通过对比分析实验测量结果和理论计算结果,验证了理论分析模型正确性,以及真空预载荷的可行性。本课题的研究对进一步完善静压气体轴承理论具有一定的理论价值;对真空预载荷气体导轨的工程应用提供理论支持;对发展静压气体轴承具有重要意义。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题研究的目的和意义
• 1.2 气体润滑技术发展概况
• 1.2.1 气体润滑原理及分类
• 1.2.2 国外发展概况
• 1.2.3 国内发展概况
• 1.3 气体导轨的分类
• 1.4 课题主要研究内容
• 第2章 真空预载荷静压气体轴承理论分析模型
• 2.1 引言
• 2.2 真空预载荷静压气体轴承的工作原理
• 2.3 静压气体润滑的理论模型
• 2.3.1 基本假设
• 2.3.2 气体润滑Reynolds 方程的一般形式
• 2.3.3 气膜的边界条件
• 2.3.4 应用加权余量法解气体润滑问题
• 2.3.5 微分方程的离散化和有限元分析
• 2.4 有关流量计算
• 2.4.1 节流孔的流动
• 2.4.2 真空边界气体的流动
• 2.5 真空腔压力的计算
• 2.6 压力方程组求解流程
• 2.7 静压气体轴承的静态特性
• 2.7.1 承载能力的计算
• 2.7.2 气体轴承刚度的计算
• 2.7.3 气体轴承角刚度的计算
• 2.8 本章小结
• 第3章 环矩形真空预载荷静压气体轴承静态特性分析
• 3.1 引言
• 3.2 单元网格划分
• 3.3 程序计算流程图
• 3.4 静态特性分析
• 3.5 真空预载荷效果的分析
• 3.6 本章小结
• 第4章 圆盘形真空预载荷静压气体轴承静态特性分析
• 4.1 引言
• 4.2 圆盘形真空预载荷静压气体轴承的结构形式
• 4.3 有限元分析的模型处理
• 4.4 单元网格划分
• 4.5 程序计算流程图
• 4.6 静态特性分析
• 4.7 真空预载荷效果的分析
• 4.8 本章小结
• 第5章 真空预载荷静压气体轴承的实验分析
• 5.1 引言
• 5.2 实验装置及方案
• 5.3 测量过程及测量结果分析
• 5.3.1 真空预载荷气浮导轨实验
• 5.3.2 圆盘形真空预载荷静压气体止推轴承实验
• 5.4 误差分析
• 5.5 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢