超高轉(zhuǎn)速空氣靜壓電主軸特性分析與實(shí)驗(yàn)研究.pdf

1、超高轉(zhuǎn)速空氣靜壓電主軸是實(shí)現(xiàn)高精和高效切削的主體之一，是高端加工機(jī)床的核心功能部件，以氣浮支承和電磁直接驅(qū)動為典型結(jié)構(gòu)特征，其綜合性能受到電、磁、氣、固、熱等多物理場的影響。本文面向我國微切削加工機(jī)床關(guān)鍵部件的重大應(yīng)用需求，圍繞超高轉(zhuǎn)速氣浮軸承的工作機(jī)理及性能增強(qiáng)機(jī)制、多物理場耦合作用下空氣靜壓電主軸系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)特性這兩個關(guān)鍵科學(xué)問題，從分析方法和關(guān)鍵技術(shù)層面，通過多學(xué)科交叉融合，分析空氣靜壓軸承在超高轉(zhuǎn)速下的綜合特性，揭示人字槽微結(jié)構(gòu)對

2、氣浮徑向軸承性能的作用規(guī)律，研究多物理場耦合作用下電主軸系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)特性，為我國高端加工裝備核心部件的自主研發(fā)提供基礎(chǔ)理論和關(guān)鍵技術(shù)支持。
　　針對超高轉(zhuǎn)速空氣靜壓電主軸高速、精密和穩(wěn)定運(yùn)行的工作需求，分析電主軸系統(tǒng)涉及的關(guān)鍵技術(shù)，提出超高轉(zhuǎn)速空氣靜壓電主軸設(shè)計(jì)基本原則，確定超高轉(zhuǎn)速空氣靜壓電主軸核心部件以及整機(jī)的結(jié)構(gòu)方案。采用有限元法數(shù)值求解非線性可壓縮雷諾方程，推導(dǎo)含有速度項(xiàng)的雷諾方程有限元形式，提出有限元數(shù)值求解改進(jìn)方法；提出

3、基于CFD的超高轉(zhuǎn)速氣浮軸承微結(jié)構(gòu)特性分析方法和氣浮電主軸系統(tǒng)多物理場耦合集成仿真分析方法，為超高轉(zhuǎn)速空氣靜壓電主軸系統(tǒng)的特性分析奠定理論基礎(chǔ)。
　　為了研究空氣靜壓軸承在不同轉(zhuǎn)速和偏心率工況下的工作機(jī)理，基于有限元法數(shù)值求解非線性可壓縮雷諾方程，開發(fā)空氣靜壓徑向軸承和止推軸承性能分析程序，揭示靜壓效應(yīng)、動壓效應(yīng)和動靜壓混合效應(yīng)對超高轉(zhuǎn)速空氣靜壓徑向軸承性能的作用機(jī)理，分析空氣靜壓徑向軸承和止推軸承的結(jié)構(gòu)參數(shù)對軸承性能的影響規(guī)律。

4、建立計(jì)算流體動力學(xué)流場仿真模型，分析超高轉(zhuǎn)速工況下空氣靜壓軸承節(jié)流孔氣腔構(gòu)型和均壓槽等微小結(jié)構(gòu)對軸承性能的影響規(guī)律。提出錐面止推軸承的新型軸承構(gòu)型，分析錐面止推軸承的流場特性并辨識其性能參數(shù)，通過與平面止推軸承性能對比表明，錐形結(jié)構(gòu)提高了空氣靜壓止推軸承的綜合性能。最后，通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了氣浮軸承CFD仿真模型的有效性。
　　為了研究人字槽微結(jié)構(gòu)對超高轉(zhuǎn)速氣浮徑向軸承的作用規(guī)律，首先揭示人字槽微結(jié)構(gòu)對氣浮徑向軸承的作用機(jī)理，提出人字槽

5、微結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)基本原則。其次，基于氣體潤滑雷諾方程有限元數(shù)值求解方法，建立人字槽微結(jié)構(gòu)性能分析數(shù)學(xué)模型，揭示不同工況下人字槽微結(jié)構(gòu)幾何參數(shù)對動壓徑向軸承和動靜壓混合徑向軸承性能的作用規(guī)律。再次，基于正交數(shù)組試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法，通過靈敏度分析辨識人字槽微結(jié)構(gòu)幾何參數(shù)對動壓徑向軸承和動靜壓混合徑向軸承承載能力的貢獻(xiàn)程度。最后，研制11組尺寸參數(shù)的人字槽微結(jié)構(gòu)，通過實(shí)驗(yàn)研究不同轉(zhuǎn)速工況下人字槽微結(jié)構(gòu)對電主軸系統(tǒng)徑向跳動的影響規(guī)律，結(jié)果表明人字槽微結(jié)構(gòu)

6、能夠有效降低電主軸系統(tǒng)的徑向跳動。
　　為了研究超高轉(zhuǎn)速空氣靜壓電主軸系統(tǒng)在多物理場耦合作用下的穩(wěn)態(tài)特性，分析電主軸系統(tǒng)各物理場之間的相互作用關(guān)系，研究空氣靜壓電主軸系統(tǒng)多物理場分析中的電-磁-氣-固-熱各物理場子模型，基于Is ig h t軟件建立超高轉(zhuǎn)速空氣靜壓電主軸系統(tǒng)多物理場集成仿真模型，分析多物理場耦合作用下電主軸系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)溫度場、結(jié)構(gòu)熱變形、氣浮軸承流場特性和軸芯的動力學(xué)特性等。通過實(shí)驗(yàn)研究空氣靜壓電主軸系統(tǒng)的溫度場、結(jié)