一种基于静态分析的气体静压轴承气锤振动预测方法技术

本发明专利技术公开了一种基于静态分析的气体静压轴承气锤振动预测方法，所述方法包括如下步骤：步骤1：建立小孔节流气体静压止推轴承的物理模型；步骤2：基于流体润滑理论对小孔节流气体静压止推轴承进行静态理论分析，推导出止推轴承的静态刚度表达式；步骤3：基于流体润滑理论对小孔节流气体静压止推轴承进行动态理论分析，推导小孔节流气体静压止推轴承稳定时轴承动刚度与静刚度需满足的关系，并进一步推导出简化的止推轴承稳定性判据；步骤4：基于小孔节流气体静压止推轴承的物理模型，给出气体静压止推轴承极限刚度的几何表示。该方法仅仅依靠止推轴承静态分析即可判断小孔节流气体静压止推轴承是否产生气锤振动现象。压止推轴承是否产生气锤振动现象。压止推轴承是否产生气锤振动现象。

【技术实现步骤摘要】
一种基于静态分析的气体静压轴承气锤振动预测方法


[0001]本专利技术属于静压滑动轴承领域，涉及一种气体静压轴承气锤振动预测方法，具体涉及一种基于静态分析的小孔节流气体静压止推轴承气锤振动稳定性判据方法。

技术介绍

[0002]随着超精密装备中运动速度和运动精度的不断提升，在静态特性满足性能要求的基础上，气体静压轴承的动态特性对超精密装备整体性能的影响日益严重，并成为气体静压轴承机理研究和工程应用中的热点和难点问题。以下两种不稳定现象首先引发了对气体轴承动态性能的关注：气锤振动现象及涡动失稳现象。气锤振动(自激振动，啸叫)现象主要出现在带有外部节流的止推轴承中，(半速)涡动失稳现象出现在高速径向轴承中。在工程应用中，设计小孔节流气体静压止推轴承面临的主要问题便是在通过静态分析得到大承载与高刚度的设计参数的同时，要预测该设计参数下止推轴承是否会产生气锤振动现象。而目前在判断小孔节流气体静压止推轴承是否会产生气锤振动现象时常用的稳定性判据必须经过复杂的运算且不能直观的对止推轴承稳定性做出判断。

技术实现思路

[0003]本专利技术的目的是提供一种基于静态分析的气体静压轴承气锤振动预测方法，该方法仅仅依靠止推轴承静态分析即可判断小孔节流气体静压止推轴承是否产生气锤振动现象。
[0004]本专利技术的目的是通过以下技术方案实现的：
[0005]一种基于静态分析的气体静压轴承气锤振动预测方法，包括如下步骤：
[0006]步骤1：建立小孔节流气体静压止推轴承的物理模型；
[0007]步骤2：基于流体润滑理论对小孔节流气体静压止推轴承进行静态理论分析，推导出止推轴承的静态刚度表达式：
[0008][0009]其中，K
S
为静刚度，表示有效承载面积，表示有效承载面积，W为静承载力，p
d
为气膜间隙压力，h为气膜厚度，为节流器流入的质量，为气膜间隙中经边界流入大气的质量；
[0010]步骤3：基于流体润滑理论对小孔节流气体静压止推轴承进行动态理论分析，推导出止推轴承的动刚度表达式以及小孔节流气体静压止推轴承稳定时轴承动刚度与静刚度需满足的关系，并进一步推导出简化的止推轴承稳定性判据，其中：
[0011]止推轴承的动刚度表达式为：
[0012][0013]其中，K
S
为静刚度，为具有时间的量纲，s表示动态轴承的扰动频率，m
g
为轴承间隙和均压槽中气体总质量；
[0014]小孔节流气体静压止推轴承稳定时轴承动刚度与静刚度需满足的关系为：
[0015]τ1>τ2；
[0016]K
∞
>K
S
；
[0017]其中，K
∞
为气体静压止推轴承极限刚度；
[0018]令则止推轴承稳定性判据为：
[0019]λ>1或log
10
λ>0；
[0020]步骤4：基于小孔节流气体静压止推轴承的物理模型，给出气体静压止推轴承极限刚度的几何表示：
[0021][0022]其中，δV表示节流孔后压力所覆盖的区域的体积。
[0023]相比于现有技术，本专利技术具有如下优点：
[0024]本专利技术基于流体润滑理论通过对小孔节流气体静压止推轴承进行静动态特性分析推导出当小孔节流气体静压止推轴承处于稳定状态时，止推轴承动刚度与静刚度应满足的条件，并以此为桥梁搭由静态分析结果来判断止推轴承是否发生气锤振动。在工程实践中通过本专利技术所给出的稳定性判据可以仅通过对小孔节流气体静压止推轴承进行静态特性分析来判断止推轴承是否会产生气锤振动现象，而不必像传统的稳定性判据一样进行复杂的运算去求解α，ξ，θ，r，q等动态参数。
附图说明
[0025]图1为基于静态分析的小孔节流气体静压止推轴承气锤振动稳定性判据的推导流程示意图；
[0026]图2为小孔节流气体静压止推轴承的物理模型示意图；
[0027]图3为止推轴承静态特性曲线示意图；
[0028]图4为小孔节流型止推轴承的等效控制模型示意图；
[0029]图5为基于本专利技术来设计小孔节流气体静压止推轴承的流程示意图；
[0030]图6为一大型测量转台止推轴承设计模型；
[0031]图7为上止推轴承log
10
λ与气膜厚度之间关系。
具体实施方式
[0032]下面结合附图对本专利技术的技术方案作进一步的说明，但并不局限于此，凡是对本专利技术技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本专利技术技术方案的精神和范围，均应涵盖在本专利技术的保护范围中。
[0033]本专利技术提供了一种基于静态分析的气体静压轴承气锤振动预测方法，如图1所示，所述方法包括如下步骤：
[0034]步骤1：建立小孔节流气体静压止推轴承的物理模型，如图2所示，所述物理模型包括流体域和固体域，即小孔节流气体静压止推轴承气膜和小孔节流气体静压止推轴承止推板。
[0035]步骤2：基于流体润滑理论对小孔节流气体静压止推轴承进行静态理论分析，推导出止推轴承的静态刚度表达式，具体推导过程如下：
[0036]当止推轴承处于静态稳定状态时，外载荷发生变化后，气膜厚度h与气膜间隙压力p
d
发生变化，此时流过小孔的流量m1(只受气膜间隙压力p
d
影响)与流过气膜的流量m2(同时受气膜厚度h与气膜间隙压力p
d
影响)发生相应变化，根据流量守恒定律有全微分：
[0037][0038]其中，与计算方法如下：
[0039][0040][0041]令结合(2)、(3)式带入(1)式得：
[0042][0043]其中，表示气膜间隙内压力p
d
沿气膜厚度h方向的变化梯度。
[0044]止推轴承利用其承载力W(h,p
d
)(注意是对相对压力积分)与气膜厚度h差分求得其静刚度K
S
为：
[0045][0046]其中，表示由止推轴承间隙气膜厚度h变化所产生的刚度，在目前的气体静压节流方式中仅有表面节流会改变轴承间隙气膜厚度，因此可被称为表面刚度。而对于平面气体静压止推轴承来说，止推轴承气浮面为平面，轴承间隙内的气膜厚度h为常数，则并将(4)式带入(5)式后得：
[0047][0048]其中，表示有效承载面积，由于与节流器特性有关可被称为节流器刚度。对于小孔节流气体静压止推轴承，不考虑气体压缩性时，流过润滑膜的流量m2与气膜前后的压差p
d
成正比，与间隙h的三次方成正比，与特征长度L、流体粘度η成反比，即具有如下的形式：
[0049][0050]将(7)式带入(6)式得：
[0051][0052]对其进行无量纲化处理后得：
[0053][0054]其中，A
t
为气膜表面积，p
s<本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于静态分析的气体静压轴承气锤振动预测方法，其特征在于所述方法包括如下步骤：步骤1：建立小孔节流气体静压止推轴承的物理模型；步骤2：基于流体润滑理论对小孔节流气体静压止推轴承进行静态理论分析，推导出止推轴承的静态刚度表达式；步骤3：基于流体润滑理论对小孔节流气体静压止推轴承进行动态理论分析，推导出止推轴承的动刚度表达式以及小孔节流气体静压止推轴承稳定时轴承动刚度与静刚度需满足的关系，并进一步推导出简化的止推轴承稳定性判据；步骤4：基于小孔节流气体静压止推轴承的物理模型，给出气体静压止推轴承极限刚度的几何表示。2.根据权利要求1所述的基于静态分析的气体静压轴承气锤振动预测方法，其特征在于所述步骤2中，止推轴承的静态刚度表达式为：其中，K
S
为静刚度，A
e
表示有效承载面积，p
d
为气膜间隙压力，h为气膜厚度，为节流器流入的质量，为气膜间隙中经边界流入大气的质量。3.根据权利要求1所述的基于静态分析的气体静压轴承气锤振动预测方法，其特征在于所述步骤3中，止推轴承的动刚度表达式为：其中，...

【专利技术属性】
技术研发人员：王波，陈文韬，吴言功，乔政，丁飞，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，
类型：发明
国别省市：