气体动压径向轴承性能设计计算【开题报告】

毕业设计开题报告

机械设计制造及自动化

气体动压径向轴承性能设计计算

1选题的背景、意义

二十世纪六十年代以来，随着航天技术，微电子学，原子能，信息技术，激光及生物工程科学的巨大发展，对于加工机器及检测仪器等的精度要求越来越高。从毫米到微米，亚微米，现在已经发展到毫微米（纳米）水平，并向着原子晶格至寸（亚纳米）水平迈进，产生了超精度检测技术。加工精度的高指标，形成了对精度加工设备的高要求，推动了它的进步，反过来，精密机械的进步有又是微细加工能够实现的必要条件。[1]在微加工技术领域，无论是精度加工机械，还是测量仪器，都对其机械部分提出了高精度，高速度，高运动分辨率，热稳定性，低震动，爬行小，少污染或无污染以及降低设备成本等方面的苛刻要求。

由于气体轴承具有以下几个方面的特点;

1.气体粘度极低，因而摩擦阻力小，特别适用于高速旋转场合；

2.运动平滑，压力膜具有均化效应，主轴回旋精度高，低速运动无爬行；

3.耐高，低温性能好，适应环境的能力强，特别是能在辐射条件下工作；

4.清洁度高，不污染环境；

5.正常工作时，磨损少，基本不要定期维护；

6.噪音，振动小。[2]

人们在实践中发现，气体轴承正是解决上述苛刻要求的重要途径。而且气体轴承的主要缺点即承载能力低，刚度小及稳定性差的问题。今年来已得到部分的解决。[3]例如美国PIC公司生产的空气轴承主轴，其径向刚度已达到了374N/μM,轴向刚度已达到了1736N/μM，这对于精度加工来说已经足够。至于在精度量测方面，刚度，承载力本不是关键。目前，对于推理气体轴承的理论和实验研究已

比较成熟，在静压径向气体轴承方面也取得了较大的理论成果。[4]但对动压径向气体轴承的特性研究，特别是实验研究，所做的工作还不够。在这种情况下，我选择了这个题目，以前面的理论成果为基础，通过数值分析对动静压气体径向轴承的静，动态特性进行研究，通过实验来进行验证分析。[5]

2相关研究的最新成果及动态

将气体动压轴承应用于小型激光照排机中，通过对气体动压轴承技术的理解，提出了在激光照排机中引入气体动压轴承技术。[6][7]

对于气体轴承形式的选择

对于既有径向支撑，还有轴向支撑要求的空气动压轴承，采用如图1所示的H 型气体动压组合型轴承。[8]这类轴承的径向和轴向的承载能力相互关联，泵入式推力轴承的泵唧作用提高了径向轴承的初端压力，因而提高了整体轴承的承载能力。

图1.气体动压轴承的机械结构

气体动压轴承设计计算

螺旋槽气体动压轴承的主要设计要点在动压发生槽的参数确定上，在图2中，比槽高的部分称为脊，槽的形状有槽宽比a，槽深比r，槽长Z和轴承圆周所构成的角度B决定。[9]

图2.气体动压轴承的机械结构

气动动压轴承材料的原则

从气体动压轴承材料的性质作为应有的性质从大的方面来说可分为两大类：第一类是要求具有并在使用条件下能经常保持精密尺寸、形状所具有的性质，例如尺寸稳定性(物理及金相稳定性)、化学稳定性(抗腐蚀性)、强度、导热性及热膨胀系数等；第二类是对接触滑动的抵抗能力，即减摩耐磨和抗胶合性。[10]要求一对摩擦副表面不宜发生胶合，磨损量要小，使磨粒不致产生对轴承有害的影响，对轴承几何形状及尺寸改变的影响减至最低限度。保持尺寸、形状所应具备的性质。[11][12]

3课题的研究内容及拟采取的研究方法（技术路线）、研究难点及预期达到的目标

本课题的研究方法主要是雷诺方程,首先离散雷诺方程，然后用迭代的方法求出气体轴承压力，分析轴承性能。雷诺方程的定义:湍流的平均运动方程(见黏性不可压缩流体动力学)。[13]提出这一方程的英国物理学家O.雷诺认为,黏性不可压缩流体作湍流运动时,流场中的瞬时参量:压力和速度分量仍旧满足纳维－斯托克斯方程,并可将该瞬时参量分解为时间平均值和在时间平均值上下涨落的脉动值,将其代入上述方程并取时间平均后,可得到用平均量表示的湍流运动方程式。[14][15]

本课题主要用到的软件是MATLAB语言编程，利用它来计算轴承承载力，

分析轴承性能。[16][17]这个是本课题的难点，MATLAB是由美国mathworks公司发布的主要面对科学计算、可视化以及交互式程序设计的高科技计算环境。它将数值分析、矩阵计算、科学数据可视化以及非线性动态系统的建模和仿真等诸多强大功能集成在一个易于使用的视窗环境中，为科学研究、工程设计以及必须进行有效数值计算的众多科学领域提供了一种全面的解决方案，并在很大程度上摆脱了传统非交互式程序设计语言（如C、Fortran）的编辑模式，代表了当今国际科学计算软件的先进水平。[18][19][20]预期达到的目标:掌握数值方法-有限差分法，求解雷诺方程，分析轴承性能，基本掌握MATLAB语言编程能力。

4研究工作详细进度和安排

2010年12月1日-2011年1月10日，完成文献综述，外文翻译（2篇）。

2011年1月10日-2011年3月1日，完成开题报告。

2011年3月1日-2011年4月10日，采用差分方法求解气体润滑雷诺方程，掌握MATLAB语言编程能力。

2011年4月10日-2011年4月30日，计算轴承承载力，分析轴承性能。2011年4月30日-2011年5月25日，完成毕业设计说明书，准备毕业答辩。

5参考文献

[1]齐乃明.自主式高刚度精密静压径向轴承研究[D].博士学位论文.哈尔滨工业大学

[2]刘墩.气磁混合支撑超精轴系的研究[C].第七届全国气体润滑及磁悬浮会议论文.1998.哈尔滨:18-33

[3]陈世钮.大功率空气静压轴承电主轴[J]。中国机械工程。2001,12（3）：268-269

[4]张静文,张君安.空气静压止推轴承性能的数值分析[J].西安工业学院学报.2002.22(1):6-10

[5]梁瑞峰,呼晓青,刘波等.表面节流空气静压润滑轴承性能研究[J]. 西安工业学院学报2004,24(1)1-4

[6]张文豪,廖波,刘波等.弹性均压槽空气静压推力轴承的实验研究[J].机械工程师.2008,.3:40-42

[7]卢志伟,刘波,张君安等.精密空气静导轨组件的设计与分析[J].润滑与密封.2007,2:165-167

[8]王福军.计算流体动力学分析[G].北京:清华大学出版社.2004.9

[9]张君安.高刚度空气静压轴承研究[D].博士学位论文.西安:西北工业大

学.2006.12

[10]杨文勇,马平.空气静压轴承静静刚度有限元非线性分析[J].润滑与密

封.2008.2:53-55

[11]任玉新,陈海听.计算流体力学基础[G].北京: 清华大学出版社.2006.6

[12]李人宪.有限体积法基础[G].北京:国防工业出版社.2005.7

[13]吴连元.板壳理论[G].上海交通大学出版社.1989.6

[14]王茜,吴剑进,李东升等.气固耦合空气静压导轨气膜非定常流动分析[J].润滑与密封.2008.9:28-30

[15]康伟,张家忠,刘雁等.气体动压轴承-转子动力系统稳定性及分岔[J].航空动力学报,2007,22(9):1537-1543

[16]费业泰.误差理论与数据处理[G].机械工业出版社.2000.4

[17]彭万欢,陶继忠,徐刚.静压气体轴承性能数值计算的迭代方法研究[J].润滑与密封.2008,7:56-59.

[18]Fukui S., Mastsui H. et al., 2005, “Dynamic characteristics of flying head slider with ultra thin spacing (CIP method and linearized method)”, Microsystem Technology, 11:812-818