超高轉速空氣靜壓電主軸特性分析與實驗研究.pdf

1、超高轉速空氣靜壓電主軸是實現(xiàn)高精和高效切削的主體之一，是高端加工機床的核心功能部件，以氣浮支承和電磁直接驅動為典型結構特征，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床關鍵部件的重大應用需求，圍繞超高轉速氣浮軸承的工作機理及性能增強機制、多物理場耦合作用下空氣靜壓電主軸系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)特性這兩個關鍵科學問題，從分析方法和關鍵技術層面，通過多學科交叉融合，分析空氣靜壓軸承在超高轉速下的綜合特性，揭示人字槽微結構對

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)提供基礎理論和關鍵技術支持。
　　針對超高轉速空氣靜壓電主軸高速、精密和穩(wěn)定運行的工作需求，分析電主軸系統(tǒng)涉及的關鍵技術，提出超高轉速空氣靜壓電主軸設計基本原則，確定超高轉速空氣靜壓電主軸核心部件以及整機的結構方案。采用有限元法數(shù)值求解非線性可壓縮雷諾方程，推導含有速度項的雷諾方程有限元形式，提出有限元數(shù)值求解改進方法；提出

3、基于CFD的超高轉速氣浮軸承微結構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，為超高轉速空氣靜壓電主軸系統(tǒng)的特性分析奠定理論基礎。
　　為了研究空氣靜壓軸承在不同轉速和偏心率工況下的工作機理，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、動壓效應和動靜壓混合效應對超高轉速空氣靜壓徑向軸承性能的作用機理，分析空氣靜壓徑向軸承和止推軸承的結構參數(shù)對軸承性能的影響規(guī)律。

4、建立計算流體動力學流場仿真模型，分析超高轉速工況下空氣靜壓軸承節(jié)流孔氣腔構型和均壓槽等微小結構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，錐形結構提高了空氣靜壓止推軸承的綜合性能。最后，通過實驗驗證了氣浮軸承CFD仿真模型的有效性。
　　為了研究人字槽微結構對超高轉速氣浮徑向軸承的作用規(guī)律，首先揭示人字槽微結構對氣浮徑向軸承的作用機理，提出人字槽

5、微結構的設計基本原則。其次，基于氣體潤滑雷諾方程有限元數(shù)值求解方法，建立人字槽微結構性能分析數(shù)學模型，揭示不同工況下人字槽微結構幾何參數(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)組試驗設計方法，通過靈敏度分析辨識人字槽微結構幾何參數(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程度。最后，研制11組尺寸參數(shù)的人字槽微結構，通過實驗研究不同轉速工況下人字槽微結構對電主軸系統(tǒng)徑向跳動的影響規(guī)律，結果表明人字槽微結構

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、結構熱變形、氣浮軸承流場特性和軸芯的動力學特性等。通過實驗研究空氣靜壓電主軸系統(tǒng)的溫度場、結