三軸氣浮臺(tái)氣體球軸承靜態(tài)特性及渦流力矩的研究.pdf

1、靜壓氣體球軸承能夠提供三自由度低摩擦的運(yùn)動(dòng)工況，是衛(wèi)星三軸仿真氣浮臺(tái)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(tái)的性能指標(biāo)。本文針對(duì)具有良好動(dòng)態(tài)特性的環(huán)面節(jié)流靜壓氣體球軸承，通過(guò)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(duì)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?jī)?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

2、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(duì)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(chǎng)和速度場(chǎng)。
　　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(duì)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

3、分析。通過(guò)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(duì)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(duì)球軸承靜態(tài)特性的影響，結(jié)果表明在加工過(guò)程中應(yīng)盡量避免球頭尺寸的負(fù)偏差及長(zhǎng)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(zhǎng)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(duì)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(guò)盈型環(huán)面節(jié)流靜壓氣體球軸承，計(jì)算

4、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(duì)渦流力矩的影響。給出了渦流力矩的計(jì)算方法，對(duì)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(duì)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。<

5、br>　　提出了減小氣體球軸承渦流力矩的補(bǔ)償方法。對(duì)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(duì)于球頭圓度誤差引起的渦流力矩，通過(guò)調(diào)整氣浮平臺(tái)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(duì)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

6、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(tái)，對(duì)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(duì)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(tái)。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(cè)得的渦流力矩大于理論計(jì)算值，但二者