空氣靜壓主軸優(yōu)化設(shè)計(jì)論文
時(shí)間:2022-06-12 03:31:11
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研究的高剛度臥式空氣靜壓主軸由雙向止推軸承和徑向軸承組成,下面分別建立止推軸承和徑向軸承的橢圓型偏微分方程形式。以MATLAB軟件中的PDE工具箱為求解器,編制程序進(jìn)行迭代求解空氣靜壓主軸的承載力、剛度和流量等靜特性。
2空氣靜壓主軸的仿真優(yōu)化設(shè)計(jì)
空氣靜壓主軸的性能受到結(jié)構(gòu)尺寸、供氣壓力、氣膜間隙、節(jié)流孔孔徑和數(shù)目等諸多參數(shù)的影響。在仿真計(jì)算中對部分影響主軸性能的參數(shù)做正交實(shí)驗(yàn),選擇最優(yōu)化的空氣靜壓主軸結(jié)構(gòu)參數(shù)。在徑向軸承中,徑向節(jié)流器的長度、節(jié)流孔孔徑及分布、氣膜間隙等影響最大,在恒定氣膜間隙和供氣壓力的情況下,分析以上參數(shù)之間的相互影響;而止推軸承中氣膜間隙和節(jié)流孔孔徑以及分布等影響較大。采用基于MATLAB軟件PDE工具箱自主研發(fā)的程序進(jìn)行數(shù)值仿真分析,并根據(jù)其他主軸的實(shí)驗(yàn)結(jié)果修正了仿真分析程序。為了確定空氣靜壓主軸的結(jié)構(gòu)參數(shù),仿真采用了正交實(shí)驗(yàn)的理論方法,空氣靜壓主軸的轉(zhuǎn)子直徑為100mm,為了提高徑向的承載和剛度,徑向節(jié)流器相對立式主軸較長,因此設(shè)計(jì)時(shí)徑向節(jié)流器為2段,每段長度分別采用80、100和120mm3種形式,每段節(jié)流方式為雙排小孔(每排12個(gè))節(jié)流;止推軸承有效承載面外徑為226mm,內(nèi)徑為106mm,節(jié)流方式為雙排(每排12個(gè))小孔節(jié)流;供氣壓力ps=0.5MPa(絕對壓力);間隙為目前國內(nèi)外氣浮主軸普遍采用的單邊10μm。在優(yōu)化設(shè)計(jì)中,上述提到的參數(shù)對軸承性能(剛度、載荷)的影響是單調(diào)的,在更大程度上受到加工能力和結(jié)構(gòu)尺寸的限制。空氣靜壓主軸的優(yōu)化設(shè)計(jì)主要是確定軸承的氣膜間隙和節(jié)流小孔直徑的最優(yōu)匹配關(guān)系,優(yōu)化設(shè)計(jì)的目標(biāo)是根據(jù)使用情況實(shí)現(xiàn)剛度或承載最大。根據(jù)以上方案數(shù)值仿真的結(jié)果,得到優(yōu)化的空氣靜壓主軸的關(guān)鍵參數(shù)。其中,對于徑向軸承,氣浮間隙為10μm,供氣壓力為0.5MPa,長度為100mm,節(jié)流小孔直徑為0.1mm,節(jié)流孔距端面距離為節(jié)流器總長度的1/4時(shí),得到最大徑向剛度171N/μm,兩段為342N/μm。對于止推軸承,單邊氣膜間隙為10μm,節(jié)流小孔直徑為0.1mm,得到最大軸向剛度723N/μm。采用以上優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)參數(shù),可以達(dá)到該套空氣靜壓主軸的最優(yōu)性能。
3實(shí)驗(yàn)測試
3.1實(shí)驗(yàn)裝置
實(shí)驗(yàn)采用的空氣靜壓主軸采用雙向止推軸承和徑向軸承的T型結(jié)構(gòu),止推軸承和徑向軸承獨(dú)立供氣。主軸的轉(zhuǎn)子與止推板組成轉(zhuǎn)子組件,徑向節(jié)流器與下止推節(jié)流器的垂直度誤差均要求小于1μm。止推間隙由墊環(huán)與止推板的厚度差來保證,徑向間隙由徑向節(jié)流器與轉(zhuǎn)子的直徑差來保證。止推和徑向的氣膜間隙一般控制在10~15μm之間,具體參數(shù)由實(shí)際使用情況和仿真分析結(jié)果確定。空氣靜壓主軸的精度一般受到驅(qū)動電機(jī)的影響,要實(shí)現(xiàn)其超高回轉(zhuǎn)精度,驅(qū)動是非常關(guān)鍵的一個(gè)環(huán)節(jié)。實(shí)驗(yàn)采用的空氣靜壓主軸采用分體式力矩電機(jī),力矩電機(jī)的轉(zhuǎn)子采用直聯(lián)的方式與空氣靜壓主軸的轉(zhuǎn)子連成一體。采用這種連接方式,省去普通聯(lián)軸器傳動環(huán)節(jié),因此簡化了傳動路徑,提高了主軸的回轉(zhuǎn)精度。該結(jié)構(gòu)還配備了旋轉(zhuǎn)變壓器和高精度圓光柵來提供位置反饋信號,為實(shí)現(xiàn)C軸功能,還配備了旋轉(zhuǎn)變壓器。
3.2實(shí)驗(yàn)結(jié)果
采用上述方案對臥式空氣靜壓主軸的軸向和徑向剛度進(jìn)行測試,在供氣表壓為0.5MPa時(shí),測得軸向剛度為785N/μm,徑向剛度為313N/μm。實(shí)驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果比較,軸向剛度的誤差為7.9%;徑向剛度的誤差為9.3%,證明了優(yōu)化設(shè)計(jì)方案的可行性。
4結(jié)論
采用MATLABPDE工具箱,通過編制迭代計(jì)算程序,實(shí)現(xiàn)氣體軸承性能的計(jì)算。通過對臥式空氣靜壓主軸結(jié)構(gòu)參數(shù)的仿真優(yōu)化,得到有助于提高其承載力和剛度的結(jié)構(gòu)參數(shù);通過制定實(shí)驗(yàn)方案,采用力傳感器和位移傳感器測試了優(yōu)化后主軸的軸向和徑向剛度,實(shí)驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果基本一致,證明了仿真方法的正確性。該仿真程序?yàn)楦纳瓶諝忪o壓主軸的性能設(shè)計(jì)提供了依據(jù)。
作者:夏歡 趙午云 張連新 單位:中國工程物理研究院機(jī)械制造工藝研究所
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