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三轴气浮台气体球轴承静态特性及涡流力矩的研究

作　者: 任迪
导　师: 王祖温
学　校: 哈尔滨工业大学
专　业: 机械电子工程
关键词: 三轴气浮台气体球轴承静态特性制造误差涡流力矩
分类号: TH133.3
类　型: 博士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

静压气体球轴承能够提供三自由度低摩擦的运动工况,是卫星三轴仿真气浮台的关键部件。球轴承的静态特性及涡流力矩的大小直接影响三轴气浮台的性能指标。本文针对具有良好动态特性的环面节流静压气体球轴承,通过理论分析和实验验证的方式,研究了静态特性及制造安装误差对涡流力矩的影响,为球轴承的设计、制造及安装提供了指导依据。主要研究内容包括以下几个方面:给出了气体球轴承三维模型的求解方法。考虑到球轴承气膜厚度方向的尺度远小于其他两个方向的特点,在网格划分时,主要采用适合大纵横比的六面体和棱锥形单元,并将结构化网格与非结构化网格相结合,大大减少了网格的数量,提高了计算效率。利用有限体积法对三维稳态可压缩Navier-Stokes方程进行离散,并将适用于可压缩气体的改进的SIMPLE算法用于离散方程的求解,得到了球轴承气膜内的压力场和速度场。给出了环面节流静压气体球轴承静态特性指标的计算方法,对球轴承的压力分布、速度分布、承载力、静态刚度和质量流量特性进行了计算分析。通过与基于经典二维雷诺方程的有限元法的计算结果进行对比,验证了本文提出的三维模型求解方法的准确性。研究了制造误差对球轴承静态特性的影响,结果表明在加工过程中应尽量避免球头尺寸的负偏差及长球面型误差,可以适当存在球头尺寸的正偏差和扁球面型误差;可以适当存在球窝尺寸的负偏差和长球面型误差,而尽量避免球窝尺寸的正偏差和扁球面型误差。针对传统环面节流静压气体球轴承静态刚度较小的缺点,提出了一种新型的高刚度过盈型环面节流静压气体球轴承,计算表明该轴承具有承载力大、静态刚度高、耗气量小等优点。研究了球轴承的制造安装误差对涡流力矩的影响。给出了涡流力矩的计算方法,对比了不同网格划分方式的计算精度,分析了供气孔的直径和位置误差、球头圆度误差及球窝的安装误差对涡流力矩的影响。研究表明现有加工条件可以满足供气孔的加工精度,但为达到球轴承的涡流力矩指标,球头的加工和球窝的安装精度很难保证。本文的研究为球轴承设计制造时公差的选择提供了理论依据,为球窝的安装提出了精度要求。提出了减小气体球轴承涡流力矩的补偿方法。对由于供气孔加工误差及球窝安装误差引起的涡流力矩,采用供气孔独立供气的方式进行补偿。对于球头圆度误差引起的涡流力矩,通过调整气浮平台的质心位置进行补偿。研究表明补偿后的涡流力矩明显减小。研究了气体介质及轴承工作点对涡流力矩的影响,结果表明以氮气作为工作介质可以使涡流力矩稍有减小,但成本较高,因此选用空气作为轴承的工作介质。并指出为减小球轴承制造误差引起的涡流力矩,应尽量选取供气压力低、中心气膜厚度小的工作点。建立了承载力特性和涡流力矩实验台,对静压气体球轴承的承载力特性、球窝安装误差引起的涡流力矩及独立供气对涡流力矩的补偿进行了实验研究。承载力特性的实验结果与理论计算结果基本吻合,表明本文提出的环面节流静压气体球轴承的承载力计算方法是正确的。设计制造了低成本的复合材料球窝,并成功应用于涡流力矩实验台。在球窝安装误差引起的涡流力矩的实验中,由于球轴承制造误差的存在,导致实验测得的涡流力矩大于理论计算值,但二者的变化趋势基本一致。在独立供气对涡流力矩的补偿实验中,设计制造了新的球窝供气组件,提出了采用独立供气的方式补偿球窝安装误差引起的涡流力矩的方法,实验结果表明补偿效果很好,补偿后的涡流力矩仅为补偿前的7.92%。

全文目录

摘要  4-6
Abstract  6-15
第1章绪论  15-36
  1.1 课题来源  15
  1.2 课题的意义  15-16
  1.3 仿真气浮台的国内外研究  16-24
    1.3.1 国外仿真气浮台的研究  16-21
    1.3.2 国内仿真气浮台的研究  21-24
  1.4 静压气体轴承的研究  24-35
    1.4.1 气体轴承的发展概况  24-25
    1.4.2 气体轴承的分类  25-27
    1.4.3 静压气体球轴承的静态特性的研究  27-30
    1.4.4 静压气体轴承的涡流力矩的研究  30-32
    1.4.5 静压气体轴承的研究方法  32-35
  1.5 课题的研究内容  35-36
第2章气体球轴承三维模型的数值计算  36-57
  2.1 引言  36
  2.2 数学模型及控制方程  36-41
    2.2.1 环面节流静压气体球轴承的数学模型  36-38
    2.2.2 控制方程  38-41
  2.3 环面节流静压气体球轴承的网格划分  41-44
    2.3.1 网格的类型  41-42
    2.3.2 网格单元  42-44
  2.4 控制方程的离散  44-50
    2.4.1 离散化方法  44-45
    2.4.2 离散方程  45-50
  2.5 边界条件  50-51
  2.6 离散方程的求解方法  51-56
    2.6.1 界面流速的计算  52
    2.6.2 压力修正方程  52-54
    2.6.3 收敛准则  54-56
  2.7 本章小结  56-57
第3章环面节流静压气体球轴承静态特性分析  57-74
  3.1 引言  57
  3.2 球轴承静态特性指标的计算  57-58
  3.3 环面节流静压气体球轴承的静态特性计算  58-63
    3.3.1 压力分布特性  58-60
    3.3.2 速度分布特性  60-62
    3.3.3 承载力特性  62
    3.3.4 静态刚度特性  62-63
    3.3.5 质量流量特性  63
  3.4 三维有限体积法与二维有限元法计算结果对比  63-65
  3.5 制造误差对静态特性的影响  65-68
    3.5.1 球头尺寸误差对静态特性的影响  65-67
    3.5.2 球头圆度误差对静态特性的影响  67-68
    3.5.3 球窝制造误差对静态特性的影响  68
  3.6 新型高刚度环面节流静压气体球轴承  68-72
  3.7 本章小结  72-74
第4章制造安装误差对涡流力矩的影响  74-92
  4.1 引言  74
  4.2 网格划分  74-76
  4.3 涡流力矩的计算  76-82
    4.3.1 涡流力矩的数值计算  76-79
    4.3.2 水平偏心量的计算  79-81
    4.3.3 气浮台涡流力矩指标的确定  81-82
  4.4 供气孔制造误差对涡流力矩的影响  82-86
    4.4.1 供气孔直径误差对涡流力矩的影响  83-84
    4.4.2 供气孔位置误差对涡流力矩的影响  84-86
  4.5 球头圆度误差对涡流力矩的影响  86-90
  4.6 球窝安装误差对涡流力矩的影响  90-91
  4.7 本章小结  91-92
第5章涡流力矩的补偿及气体球轴承的优化  92-106
  5.1 引言  92
  5.2 独立供气补偿涡流力矩  92-96
    5.2.1 补偿力矩的计算  92-95
    5.2.2 补偿实例  95-96
  5.3 球头涡流力矩的补偿  96-101
  5.4 气体球轴承的优化  101-105
    5.4.1 气体介质的选择  101-103
    5.4.2 工作点的选择  103-105
  5.5 本章小结  105-106
第6章承载力特性及涡流力矩的实验研究  106-126
  6.1 引言  106
  6.2 环面节流静压气体球轴承承载力特性实验  106-115
    6.2.1 实验轴承的设计  106-107
    6.2.2 实验球轴承的加工  107-108
    6.2.3 承载力特性实验台的设计  108-113
    6.2.4 承载力特性的测试方法  113-114
    6.2.5 承载力特性实验结果及分析  114-115
  6.3 球窝安装误差引起的涡流力矩的测量  115-122
    6.3.1 实验轴承的设计与制造  115-116
    6.3.2 涡流力矩实验台的设计  116-118
    6.3.3 涡流力矩的测量方法  118-121
    6.3.4 球窝安装误差引起的涡流力矩实验结果及分析  121-122
  6.4 独立供气对涡流力矩的补偿实验  122-125
    6.4.1 独立供气实验台的设计  122-123
    6.4.2 单供气孔压力变化产生的涡流力矩实验结果及分析  123-124
    6.4.3 独立供气对涡流力矩的补偿实验  124-125
  6.5 本章小结  125-126
结论  126-128
参考文献  128-135
攻读博士学位期间所发表的论文  135-137
致谢  137-138
个人简历  138

三轴气浮台气体球轴承静态特性及涡流力矩的研究

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