径向与球形静压气体轴承轴系设计及动力学特性分析

摘要

随着精密和超精密加工技术成为衡量一个国家机械行业水平高低的标志，针对超精密机床主轴轴系的研究越来越得到专家学者的高度重视。由于气体润滑轴承具有加工精度高、无摩擦、可控性好等优点，在超精密机床主轴系统上的应用越来越多。随着气体润滑技术的不断发展，超精密机床主轴系统采用气体润滑轴承越来越成为今后的发展趋势。
　　本研究设计了一种径向与半球气体轴承联合支撑的主轴系统。目的在于简化安装过程以及通过半球轴承的自动调心功能提高主轴的回转精度。论文重点分析气体轴承以及主轴的静动态特性。通过有限差分法对雷诺方程进行简化，利用 Matlab软件计算求得径向气体轴承的静态性能，并利用 Fluent仿真验证。从求解结果中选取合适的径向轴承结构参数。通过Gambit对半球轴承进行建模，利用Fluent仿真得到半球气体轴承的承载特性，从仿真结果中选取合适的半球轴承结构参数。通过在雷诺方程中增加微小扰动并采用线性摄动法求得新型稳态雷诺方程。根据方程求得径向以及半球气体轴承的动态特性参数。基于刚体动力学理论建立主轴-转子动力学模型，根据求得的轴承动态特性参数推导主轴不平衡响应公式，求解得到主轴在不同转速区间的振动幅值。对主轴自由振动进行模态分析，求得主轴各阶振动频率并通过计算得出主轴临界转速，在实际工作时要尽量避免与临界转速相近引起共振现象。通过理论分析以及仿真验证得到设计主轴轴系满足现有超精密加工机床需要。

目录

1绪论

1.1课题背景及意义

1.2气体轴承精密机床简介

1.3静压气体轴承技术的研究和发展现状

1.4主要研究内容

2静压气体轴承工作原理及理论分析

2.1静压气体轴承工作原理及分类

2.2气体润滑理论模型分析

2.3径向气体轴承与球面气体轴承雷诺方程推导

2.4边界条件

2.5本章小结

3静压径向气体轴承参数化设计与静态特性研究仿真

3.1主轴轴系结构设计

3.2静压径向气体轴承结构参数设计

3.3雷诺方程差分格式的建立

3.4计算程序

3.5气膜压力分布

3.6径向气体轴承仿真分析

3.7本章小结

4静压半球气体轴承设计及静态特性分析

4.1静压半球气体轴承模型建立

4.2静压半球气体轴承静特性计算

4.3半球气体轴承静态特性仿真计算

4.4本章小结

5径向半球混合轴系动力学特性建模与仿真分析

5.1径向气体轴承动态特性分析

5.2半球气体轴承动态特性分析

5.3径向半球混合轴系动力学特性分析

5.4静压轴承动态参数分析

5.5主轴动态特性分析

5.6计算结果与分析

5.7本章小结

结论

参考文献

附录

攻读学位期间发表的学术论文

致谢

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