空氣靜壓主軸優(yōu)化設(shè)計論文

1、空氣靜壓主軸優(yōu)化設(shè)計論文 1空氣靜壓主軸靜態(tài)性能分析 研究的高剛度臥式空氣靜壓主軸由雙向止推軸承和徑向軸承組成，下面分別建立止推軸承和徑向軸承的橢圓型偏微分方程形式。以MATLAB軟件中的PDE工具箱為求解器，編制程序進行迭代求解空氣靜壓主軸的承載力、剛度和流量等靜特性。 2空氣靜壓主軸的仿真優(yōu)化設(shè)計 空氣靜壓主軸的性能受到結(jié)構(gòu)尺寸、供氣壓力、氣膜間隙、節(jié)流孔孔徑和數(shù)目等諸多參數(shù)的影響。在仿真計算中對部分影響主軸性能的參數(shù)做正交實驗，選擇最優(yōu)化的空氣靜壓主軸結(jié)構(gòu)參數(shù)。在徑向軸承中，徑向節(jié)流器的長度、節(jié)流孔孔徑及分布、氣膜間隙等影響最大，在恒定氣膜間隙和供氣壓力的情況下，分析以上參數(shù)之間的相互影

2、響;而止推軸承中氣膜間隙和節(jié)流孔孔徑以及分布等影響較大。采用基于MATLAB軟件PDE工具箱自主研發(fā)的程序進行數(shù)值仿真分析，并根據(jù)其他主軸的實驗結(jié)果修正了仿真分析程序。為了確定空氣靜壓主軸的結(jié)構(gòu)參數(shù)，仿真采用了正交實驗的理論方法，空氣靜壓主軸的轉(zhuǎn)子直徑為100mm，為了提高徑向的承載和剛度，徑向節(jié)流器相對立式主軸較長，因此設(shè)計時徑向節(jié)流器為2段，每段長度分別采用80、100和120mm3種形式，每段節(jié)流方式為雙排小孔(每排12個)節(jié)流;止推軸承有效承載面外徑為226mm，內(nèi)徑為106mm，節(jié)流方式為雙排(每排12個)小孔節(jié)流;供氣壓力ps=0.5MPa(絕對壓力);間隙為目前國內(nèi)外氣浮主軸普遍

3、采用的單邊10m。在優(yōu)化設(shè)計中，上述提到的參數(shù)對軸承性能(剛度、載荷)的影響是單調(diào)的，在更大程度上受到加工能力和結(jié)構(gòu)尺寸的限制。空氣靜壓主軸的優(yōu)化設(shè)計主要是確定軸承的氣膜間隙和節(jié)流小孔直徑的最優(yōu)匹配關(guān)系，優(yōu)化設(shè)計的目標是根據(jù)使用情況實現(xiàn)剛度或承載最大。根據(jù)以上方案數(shù)值仿真的結(jié)果，得到優(yōu)化的空氣靜壓主軸的關(guān)鍵參數(shù)。其中，對于徑向軸承，氣浮間隙為10m，供氣壓力為0.5MPa，長度為100mm，節(jié)流小孔直徑為0.1mm，節(jié)流孔距端面距離為節(jié)流器總長度的1/4時，得到最大徑向剛度171N/m，兩段為342N/m。對于止推軸承，單邊氣膜間隙為10m，節(jié)流小孔直徑為0.1mm，得到最大軸向剛度723N/

4、m。采用以上優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)參數(shù)，可以達到該套空氣靜壓主軸的最優(yōu)性能。 3實驗測試 3.1實驗裝置 實驗采用的空氣靜壓主軸采用雙向止推軸承和徑向軸承的T型結(jié)構(gòu)，止推軸承和徑向軸承獨立供氣。主軸的轉(zhuǎn)子與止推板組成轉(zhuǎn)子組件，徑向節(jié)流器與下止推節(jié)流器的垂直度誤差均要求小于1m。止推間隙由墊環(huán)與止推板的厚度差來保證，徑向間隙由徑向節(jié)流器與轉(zhuǎn)子的直徑差來保證。止推和徑向的氣膜間隙一般控制在1015m之間，具體參數(shù)由實際使用情況和仿真分析結(jié)果確定。空氣靜壓主軸的精度一般受到驅(qū)動電機的影響，要實現(xiàn)其超高回轉(zhuǎn)精度，驅(qū)動是非常關(guān)鍵的一個環(huán)節(jié)。實驗采用的空氣靜壓主軸采用分體式力矩電機，力矩電機的轉(zhuǎn)子采用直聯(lián)的方式與空

5、氣靜壓主軸的轉(zhuǎn)子連成一體。采用這種連接方式，省去普通聯(lián)軸器傳動環(huán)節(jié)，因此簡化了傳動路徑，提高了主軸的回轉(zhuǎn)精度。該結(jié)構(gòu)還配備了旋轉(zhuǎn)變壓器和高精度圓光柵來提供位置反饋信號，為實現(xiàn)C軸功能，還配備了旋轉(zhuǎn)變壓器。 3.2實驗結(jié)果 采用上述方案對臥式空氣靜壓主軸的軸向和徑向剛度進行測試，在供氣表壓為0.5MPa時，測得軸向剛度為785N/m，徑向剛度為313N/m。實驗結(jié)果與仿真結(jié)果比較，軸向剛度的誤差為7.9%;徑向剛度的誤差為9.3%，證明了優(yōu)化設(shè)計方案的可行性。 4結(jié)論 采用MATLABPDE工具箱，通過編制迭代計算程序，實現(xiàn)氣體軸承性能的計算。通過對臥式空氣靜壓主軸結(jié)構(gòu)參數(shù)的仿真優(yōu)化，得到有助于提高其承載力和剛度的結(jié)構(gòu)參數(shù);通過制定實驗方案，采用力傳感器和位移傳感器測試了優(yōu)化后主軸的軸向和徑向剛度，實驗結(jié)果與仿真結(jié)果基本一致，證明了仿真方法的正確性。該仿真程序為改善空氣靜壓主軸的性