基于ANSYS的多孔质静压轴承径向特性数值模拟
气体静压电主轴
1.气体静压电主轴的结构特点 目前气体静压电主轴的结构基本大同小异，其结构的差别主要体现在轴承对主轴的支撑位置不同，按照支撑位置的不同，气体静压强主轴大体可分为两类：全支撑式和两端支撑式。 典型的全支撑式气体静压电主轴结构如图1.1所示，该结构的电主轴其电机部分从承压面伸出，形成了悬臂结构，悬臂的质量对整个主轴产生了力矩作用，对主轴的精度会带来一定的影响。 随着对供气方式的深入研究和不断改进，气体静压轴承的承载力也得到不断提升，因此，不再需要密集排布供气孔以满足承载力需要，同时也为了克服全支撑式的缺点，两端支撑式气体静压电主轴得到大规模应用，其典型结构如图1.2所示，分别是气体流道和冷却液流道的剖视图。
2.国内外应用情况 随着加工精度要求越来越高，传统机床的车、铣、镗、磨及钻削已经不适应各种精密元件的加工，所以新的机械装备得到推广。气体静压电主轴精度高，适用于微小孔钻削、精密光学镜片的磨削、精密半导体元件的磨削等，其转速极高，使加工效率成倍提高。因此，目前气体静压电主轴广泛应用于精密加工领域，其加工的零件也多用在要求精密、高效及微型化的高科技领域。 美国AMETEK Precitech公司研制的Nanoform 250ultragind机床，可用于单点金刚石车削、刀具正交金刚石车削、精密磨削、铣削和自由曲面铣削、磨削，该机床上用于高速铣削和磨削的主轴采用气体静压轴承支承，其轴向与径向运动误差均小于0.05μm，该公司的Nanoform 700ultra机床可用于微铣削，其轴向与径向运动误差也都小于0.05μm，安装在这些机床上气体静压电主轴主要是HS、SP和HD系列电主轴，其中HS-75高速电主轴最大速度达到18000rpm，其轴向径向运动精度达到了20nm以内，而SP-150高性能电主轴转速虽然不高，但其轴向径向运动精度都达到了15nm以内，HD-160系列电主轴是重载电主轴，其轴向与径向刚度分别达到了350N／μm和175N／μm，主轴头部处的径向承载能力达到102kg，其轴向径向运动精度也在50nm以内。这三个系列的电主轴都需要冷却液对其主轴壳体进行冷却，主轴采用硬化的440系列不锈钢轴和青铜轴颈，这样在主轴无空气旋转的意外情况下不会造成永久损坏。
空气轴承的工作原理
空气轴承的工作原理 压缩空气进入由空气轴承支撑的动力轴，被分成两个通道，一个通道用以驱动动力轴，另一个通道用于轴承座支撑动力轴。其中的自旋转动力轴和空气轴承座都是经精密的机械加工，两者间保持0.02mm的间隙，（根据载荷与转速设计就有不同的数据）。 产品特性 压缩空气进入自旋轴，采取将其分成两个通道，去驱动与支撑动力轴，使其最高转速达 350,000r/min。（目前我们能做的轴承可以达到20万转/分，在国内已经算是顶尖水平，要在提升技术，要等有钱了，更换一些高档的设备才能做到。国际上能做到35万转/分，但报废率非常高，应用也不广。） 由几个空气轴承支撑着的动力轴，能够安装在车床的卧式刀架上，分别以纵向静态安装和动态驱动刀具两种状态进行加工。 空气轴承结构本身存在着的刚性差和引起的不同心，不但没有影响加工精度，反而由于可使刀具稍微浮动，因而提高了零件的加工精度，而且还具有切削力小，机床消耗功率小等优点。即使对于较低转速(60,000r/min)加工，机床消耗的最大切削功率只为40W。在机床主轴上能安装0.1mm小的钻头。（目前我们自己组装的一台机器能够钻到0.1mm的小孔。） 1.采用空气动静压气浮轴承，运转“平稳”。 2.结构简单，性能稳定可靠。 3.采用防卡技术，提高了防过载和防误操作的能力。空气静压气浮轴承，运转“平稳”。 4.轴承表面特殊处理，提高轴承的使用寿命。 5.优化设计，性能稳定可靠，耗气量小。 6.对于高精加工应用非常好，特别是磨削加工。（目前我们正在研究把他应用到弹簧夹头内 孔研磨上，可以实现0.2um以内的同心度，用国家弹簧夹头检验标准可以实现摆动3um 以内。） 7.可以利用这个工作原理开发一系列的产品出来，主要考虑应用高精密设备。 产品用途 目前我们生产的轴承用于PCB钻孔用的电主轴里面，我们的产品用德国的检测设备检测可以做到同心度1um,内孔圆度0.3um，垂直度2um。与国际加工水平相当。
空气轴承-什么原因造成主轴损坏10月16日
什么原因造成主轴损坏 数控钻床的主轴是用来钻孔和铣外形的，它的好坏不仅直接影响到最终的产品质量，而且会影响到印制板的制造成本。什么时候主轴不转了，或者噪声很大、老断刀具，我们就说“主轴出故障了”。而在主轴出故障的时候，我们又感觉是“主轴设计或制造的缺陷”。凭心而论，主轴装在机器上就不完全取决于自身的性能和特征了，它会受到其他硬件设备和软件功能的影响，大多数情况还是操作失误造成主轴损坏。 对于滚珠轴承主轴，如果使用的配套设备很合适，轴承最终磨损，声音很大，我们知道这是因为轴承的滚珠和座圈之间机械接触所至。对于空气轴承人们常存在一些误解：认为既然转子和定子之间无机械接触，主轴应该永远不坏。当然，如果这种主轴是工作在很干净的实验室环境下，它的确不会轻易损坏，现实的情况是我们要用它钻铣非常硬的环氧玻璃布纤维板，环境又很脏。这就存在可能使配套设备失灵或出现误动作，主轴因此而出现故障或损坏。这些故障是可以减少的，那就是正确的机器维护和保养。 前面我们已讨论了造成主轴损坏的一些原因，现在再让我们看一看空气轴承主轴内部结构。图一：空气轴承主轴内部结构图 到转子并使之稳定。空气的轴向射流从转子推力板的底部托起转子使之可以自由转动。同时，这个托起的力还能承受主轴缩回时的冲击。空气轴向射流同时也作用于转子推力板的顶部，为主轴钻冲程提供推力负荷。显而易见，空气轴承主轴的寿命取决于压缩空气的质量和合适的压力。 现在让我们看看造成主轴损坏的一些原因： 一、在数控钻铣床上自动换刀（ATC）阀门泄漏 ATC阀门泄漏造成主轴损坏是最常见的。特别是一些老机器，尤其是一些老机器由滚珠轴承主轴翻新为空气轴承主轴更是如此。随着使用年限的增加，阀门由于磨损趋向泄漏是很自然的，关键是你要知道多长时间必须更换这些要泄漏的阀门，使由于空气阀门泄漏造成主轴损坏这个因素减到最低。当偶然发生ATC
空气静压轴承工作原理
空气静压气浮轴承工作原理气体静压轴承是滑动轴承形式当中的一种，其结构和工作原理与液体滑动轴承类似，不同的是采用气体(多为空气)作为润滑介质。当外部压缩气体通过节流器进入轴承间隙，就会在间隙中形成一层具有一定承载和刚度的润滑气膜，依靠该气膜的润滑支承作用将轴浮起在轴承中。对于气体静压轴承，采用外压供气是其基本工作方式，节流器是其结构的关键，而主轴工作时因自重和载荷出现的偏心则建立起轴承相应的承载和刚度加工中心机制。以径向供气的静压气浮轴承为例，径向孔式静压气体轴的气流通道主要由节流孔和轴承径向间隙两部分组成，节流孔是使外部加压气体进入轴承间隙前，产生节流效果、并使之形成具有一定承载能力及刚度的稳定润滑气膜的一种装置。而轴承径向间隙则是通过改变径向间隙，调整对气流的阻抗以达到改变空气流量，进而影响上游来流条件，改变节流孔出口压力Pr，在轴承腔内建立起新的平衡。两者的宏观表现均是对流体产生阻抗，使来流压力不断降低，因此，有类似电学欧姆定律的规律。将图4-1的气浮轴承模型类比图4-2的电阻模型。 压缩空气以供气压力只:由供气通道经节流小孔进入气腔，通过气膜流出，当通道横截面积减小时，气流速度加快，剪切速率会增加，由于气体的粘性，气体的内摩擦会消耗其动能，经过节流小孔后气体压力值减小，即气腔中压力Pr，小于供气压力凡。同理由于气膜厚度很小，空气在气膜中流动时的剪切速率很大，所以气体由气腔流经气膜时，压力会有再次损失，即环境压力Po低于气腔压力Pr。我们将节流小孔和气膜这些小截面通道对气流的阻碍作用称为阻抗，将节流小孔的阻抗记为Rg，记气膜的阻抗为Rh。那么，空气流动的过程与电流流经两个串联的电阻非常相似，其中，气流对应于电流，阻抗对应于电阻，气体压力对应于电压。未通压缩空气前，由于滑动件的自重与载荷的作用:支承件与滑动件相互贴合:气膜厚度h为零。此时气膜的阻抗Rh趋于无穷大，气腔压力只，趋近于供气压力Ps;当供气压力与气腔面积之乘积值超过载荷F时，滑动件浮起，气膜形成，气腔压力只，低于供气压力凡滑动件在气膜压力的支承下达到平衡。当外载荷F增大时，气膜厚度减小，气膜阻抗值R蹭大。根据图4-2，气膜上的压帜，会因此增加，支承力增加，以平衡增大的外载荷。反之，「减小，h增大，R*减小，只减小，从而支承力减小，这样可以和减小的外载荷平衡。以上就是静压润滑的基本原理。其原理图如图4-3,如果把多个图4-1这样的结构均布在环形圆周上，支承件换成轴，就形成了空气静压轴承结构，其示意图如4-4所示。
高速空气静压主轴承性能分析
高速空气静压主轴性能分析 高速空气静压主轴承性能分析 Cheng-Ying Lo ,Cheng-Chi W ang ,Yu-Han Lee 摘要： 气动轴承设计的问题的解决方法是先压力分布和轴承轮转方向的精确度。目前，本文研究出了一个详细的理论分析轴承性能的方法，其中气动轴承最初是由无量纲简化的纳维——斯托克斯方程的形式来表达。利用轴承之间的间隙和孔口中的质量连续流动的假设，可以推导出非线性无量纲雷诺方程，然后利用牛顿方法进行离散。最后，修改后的雷诺方程可以利用循环迭代的方法来解决。目前的数值模型可以有效的油膜压力分布，摩擦力影响，承载能力，刚度，润滑气体流量，和静止状态偏心率和动态气动轴承压力包括高偏心率部分，高速非圆形线部分，推力轴承，滑块轴承等内容的分析。这个被使用的分析模型提供了宝贵的分析方式来研究高精度的静态和动态旋转的气体轴承的性能，并使其成为可以得到的最优化设计。 1．简介 气体轴承的特点是旋转时低噪音和低摩擦损失。因此，它们经常被应用于各种精密仪器中，在空负荷高速电动马达驱动的情况下，它们产生摩擦量为零。相比于传统的油轴承，气体轴承具有产生的热量低，少污染，和较高的精度的优点。然而，它们的主要缺点是，它们的运行往往相当不稳定，这往往限制其允许使用的范围。 1961年，格罗斯和扎克[1]首先开发，并应用了微扰的方法来解决：稳定，自行形成，可认为无限长的平面楔形油膜问题。使用的这种微扰的方法可以有效的分析所有的几何参数范围，并得到高度精确的结果。1975年，马宗达[2]提出一种理论方法，考虑到三维流多孔材料对轴承的影响，推导出稳态固定和旋转性能特点。我们知道气动轴承的主要承载能力受气膜的空气动力学影响，其中气膜的刚度，阻尼系数，和稳定的范围值是主要的影响参数。多数的轴承设计都是为了运转稳定，因此需要掌握最基本的有关稳定性的知识。所以，马宗达[3]构建了一个多孔矩形的推力轴承，在外部施压，利用可压缩润滑液的条件下的理论模型。1985年，金价和特尔[4] 利用有限元方法和有限差分法评价的相对精密的问题中近似研究了一个稳定，等粘度的，不可压润滑剂的模型。在他们的研究中，提出了一个复杂的耦合的问题的解法可以转化成一系列有顺序的简单，非耦合的稳定的问题的解法。轴承的二维计算表明，有限差分方法计算结果的相对误差比用有限元方法得到的结果略小。此外，结果表明，用有限差分的方法进行近似计算比有限元的方法要快，在相同的电脑处理器下，用有限差分法用0.15s而有限元需要0.17s。 1992年，斯洛克姆[5]进行的实验研究而为小孔节流的气动轴承制定全面的设计程序。最近，表面粗糙度对轴承的性能影响已被调查[6][7]。结果显示：普遍持有表面粗糙度在层流流动时，对气动轴承的影
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]
空气轴承
空气轴承 空气轴承（又称为气浮轴承）指的是用气体（通常是空气，但也有可能是其它气体）作为润滑剂的滑动轴承。空气比油粘滞性小，耐高温，无污染，因而可用于高速机器、仪器及放射性装置中，但其负荷能力比油低。空气轴承分为三大类：空气静压轴承、空气动压轴承和挤压膜轴承。在一般工业中，空气静压轴承用得较广泛。 1 结构 由轴承内圈和外圈，外圈上有空气的进出口空，内圈上有喷嘴。具体见附图： 2 工作原理 空气轴承是利用空气弹性势来起支承作用的一种新型轴承。 3 优点 3.1.更高精度 空气轴承提供极高的径向和轴向旋转精度。由于没有机械接触，磨损程度降到了最低，从而确保精度始终保持稳定。
由于制造结构的不同，空气主轴旋转时的精确性是天生具备的。特殊的制造技术提高了这一精确性，能够提供极高的旋转和轴向精度。空气主轴的设计是，能够在轴向和径向同时获得小于0.1微米TIR的旋转精确性。由于旋转的转子和静态支撑部分之间没有机械接触，所以没有磨损产生，从而确保精度始终保持稳定——制造商使用统计学加工控制的一个重要特性。 典型的同步径向偏摆值：<10微米（PCB钻孔主轴，高速） 典型的非同步径向偏摆值：<0.025微米（磁盘测试主轴，低速） D1787高端PCB主轴的动态偏摆与转子速度之间的关系 D1640-05磁盘测试主轴的非同步径向偏摆与转子速度之间的关系 3.2. 高速 空气轴承内部的低剪切力，能够在提供极高转速的同时，将动力损失降到最低，并使产生的热量非常小。转速可以超过300,000转/分钟。 空气轴承阻力较低，允许较高的速度，并能同时保持较低的振动水平。摩擦对空气轴承旋转的阻碍非常小，并且，因此使得动力损失和热量产生也非常小。这使得转子能够以极高的表面速度运行。有些主轴中，较高的旋转速度会导致轴承硬度的增加——由空气动力学和回转加劲的特点导致的。 各个市场领域中目前最高速西风空气主轴的图示 3.3.增加刀具寿命 使用空气轴承意味着能够大大延长刀具的寿命。 较低的振动和较高的旋转精度，意味着钻头、刀具、砂轮、和钻探工具都会有更长的寿命——降低了保养和运行成本。特别地，在PCB钻孔行业中，目前使用的钻针直径更小至50微米，只有空气主轴才能以所需的速度运行，以确保刀具的寿命达到要求 砂轮寿命的典型增长：1.5倍～4倍，取决于应用领域和砂轮类型 直径0.01的PCB钻孔工具寿命与旋转速度之间的关系 3.4.提高表面光度 空气主轴精确的、可重复的运动，使得表明光度达到了非常出色的程度。 空气主轴的应用（如：半导体加工）提供了流畅的、精确的、可重复的运动——使得表面光度更佳。与滚珠轴承主轴不同，空气轴承提供了稳定的轴承硬度，能够确保所加工的硬质材料表面以下部分的破损程度最小。由于硬度是由贯穿轴承的、始终如一的空气流提供的，转子所经受的、来
气体轴承
机械零件:气体轴承 气体轴承 用气体作润滑剂的滑动轴承。最常用的气体润滑剂为空气﹐根据需要也可用氮﹑氬﹑氢﹑氦或二氧化碳等。在气体压缩机﹑膨胀机和循环器中﹐常以工作介质作为润滑剂。气体轴承可用於纺织机械﹑电缆机械﹑仪錶机床﹑陀螺仪﹑高速离心分离机﹑牙钻﹑低温运转的製冷机﹑氢膨胀机和高温运转的气体循环器等。 早在1854年﹐法国人G.A.伊恩就提出过用气体作润滑剂的设想。1896年第一个空气轴承问世。1913年英国人W.J.哈里森发表气体润滑轴承流体动力学分析的论文。50年代以来﹐气体轴承的应用逐步扩大﹐并受到广泛和深入的研究。 特点气体轴承有以下特点。摩阻极低﹕由於气体黏度比液体低得多﹐在室温下空气黏度仅为10号机械油的五千分之一﹐而轴承的摩阻与黏度成正比﹐所以气体轴承的摩阻比液体润滑轴承低。适用速度范围大﹕气体轴承的摩阻低﹐温昇低﹐在转速高达5万转/分时﹐其温昇不超过20～30℃﹐转速甚至有高达130万转/分的。气体静压轴承还能用於极低的速度﹐甚至零速。适用温度范围广﹕气体能在极大的温度范围内保持气态﹐其黏度受温度影响很小(温度昇高时黏度还稍有增加﹐如温度从20℃升至100℃﹐空气黏度增加23％)﹐因此﹐气体轴承的适用温度范围可达-265℃到1650℃。承载能力低﹕动压轴承的承载能力与黏度成正比﹐气体动压轴承的承载能力只有相同尺寸液体动压轴承的千分之几。由於气体的可压缩性﹐气体动压轴承的承载能力有极限值﹐一般单位投影面积上的载荷只能加到0.36兆帕。加工精度要求高﹕为提高气体轴承的承载能力和气膜刚度﹐通常採用比液体润滑轴承小的轴承间隙(小於0.015毫米)﹐需要相应地提高零件精度。 类型气体润滑轴承形成承载气膜的机理与液体润滑轴承相同﹐故也分为气体动压轴承和气体静压轴承。按承受载荷的方向不同﹐又可分为气体径向轴承﹑气体推力轴承和气体径向推力组合轴承。气体动压轴承是利用气体在楔形空间產生的流体动压力来支承载荷的。常在轴颈或轴瓦的表面做出浅螺纹槽﹐利用槽 的1 气体动压螺旋槽推力轴承为气体动压螺旋槽推
静压滑动轴承
§1３—7 静压滑动轴承简介 一、多油楔滑动轴承 单油楔滑动轴承的特点：承载能力大，但稳定性差（轴颈在外部干扰力作用下易偏离平衡位置），因此采用多楔滑动轴承的特点：稳定性好，承载能力稍低，承载能力等于各油楔承载力矢量。 多油楔滑动轴承类型,按瓦面是否可调分为:固定瓦轴承；椭圆轴承——双向回转，双油楔；错位轴承——单向回转 图13-16 双油契径向轴承示意图 可倾瓦轴承——可调节轴瓦与轴颈间间隙，稳定性好，但承载能力低于固定瓦轴承 图13-17 可倾瓦双油契径向轴承示意图
二、液体静压轴承 如下图所示，油泵把高压油送到轴承间隙，强制形成油膜，靠液体的静压平衡外载荷。 图13-18 静压轴承的工作原理 优点：1）摩擦系数很小，约0.0001～0.004，起动力矩小，效率高 2）磨损小（起动，停车时，轴颈与轴瓦也不直接接触），精度保持性好，寿命长 3）油膜不受速度限制，因此能在极低或极高转速下工作。 4）对轴承材料要求低，对间隙和表面粗糙度要求也不高。 5）油膜刚度大，具有良好的吸振性，运转平稳，精度高。 缺点：供油装置较复杂，且维护管理要求较高。
三、气体轴承——空气作润滑剂 气体粘度是液体的四五千分之一，所以可在极高速下运转：几十万～百万转(n/min)，但承载能力较低。 气体轴承：气体动压轴承；气体静压静承。 应用：精密测量仪、超精密机床主轴与导轨、超高速离心机、核反应堆内支承等。 四、磁力轴承 利用磁场力使轴悬浮，故又称磁悬浮轴承，无需任何润滑剂，可在真空中工作，最高转速达38.4万转/S。 应用：超高速离心机、真空泵、精密陀螺仪及加速计、超高速列车、空间飞行器姿态飞轮、超高速精密机床等。