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1空氣靜壓主軸靜態性能分析

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化設計

空氣靜壓主軸的性能受到結構尺寸、供氣壓力、氣膜間隙、節流孔孔徑和數目等諸多參數的影響。在仿真計算中對部分影響主軸性能的參數做正交實驗，選擇最優化的空氣靜壓主軸結構參數。在徑向軸承中，徑向節流器的長度、節流孔孔徑及分布、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，分析以上參數之間的相互影響;而止推軸承中氣膜間隙和節流孔孔徑以及分布等影響較大。采用基于MATLAB軟件PDE工具箱自主研發的程序進行數值仿真分析，并根據其他主軸的實驗結果修正了仿真分析程序。為了確定空氣靜壓主軸的結構參數，仿真采用了正交實驗的理論方法，空氣靜壓主軸的轉子直徑為100mm，為了提高徑向的承載和剛度，徑向節流器相對立式主軸較長，因此設計時徑向節流器為2段，每段長度分別采用80、100和120mm3種形式，每段節流方式為雙排小孔(每排12個)節流;止推軸承有效承載面外徑為226mm，內徑為106mm，節流方式為雙排(每排12個)小孔節流;供氣壓力ps=0.5MPa(絕對壓力);間隙為目前國內外氣浮主軸普遍采用的單邊10μm。在優化設計中，上述提到的參數對軸承性能(剛度、載荷)的影響是單調的，在更大程度上受到加工能力和結構尺寸的限制。空氣靜壓主軸的優化設計主要是確定軸承的氣膜間隙和節流小孔直徑的最優匹配關系，優化設計的目標是根據使用情況實現剛度或承載最大。根據以上方案數值仿真的結果，得到優化的空氣靜壓主軸的關鍵參數。其中，對于徑向軸承，氣浮間隙為10μm，供氣壓力為0.5MPa，長度為100mm，節流小孔直徑為0.1mm，節流孔距端面距離為節流器總長度的1/4時，得到最大徑向剛度171N/μm，兩段為342N/μm。對于止推軸承，單邊氣膜間隙為10μm，節流小孔直徑為0.1mm，得到最大軸向剛度723N/μm。采用以上優化后的結構參數，可以達到該套空氣靜壓主軸的最優性能。

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型結構，止推軸承和徑向軸承獨立供氣。主軸的轉子與止推板組成轉子組件，徑向節流器與下止推節流器的垂直度誤差均要求小于1μm。止推間隙由墊環與止推板的厚度差來保證，徑向間隙由徑向節流器與轉子的直徑差來保證。止推和徑向的氣膜間隙一般控制在10～15μm之間，具體參數由實際使用情況和仿真分析結果確定?？諝忪o壓主軸的精度一般受到驅動電機的影響，要實現其超高回轉精度，驅動是非常關鍵的一個環節。實驗采用的空氣靜壓主軸采用分體式力矩電機，力矩電機的轉子采用直聯的方式與空氣靜壓主軸的轉子連成一體。采用這種連接方式，省去普通聯軸器傳動環節，因此簡化了傳動路徑，提高了主軸的回轉精度。該結構還配備了旋轉變壓器和高精度圓光柵來提供位置反饋信號，為實現C軸功能，還配備了旋轉變壓器。

3.2實驗結果

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/μm，徑向剛度為313N/μm。實驗結果與仿真結果比較，軸向剛度的誤差為7.9%;徑向剛度的誤差為9.3%，證明了優化設計方案的可行性。

4結論

采用MATLABPDE工具箱，通過編制迭代計算程序，實現氣體軸承性能的計算。通過對臥式空氣靜壓主軸結構參數的仿真優化，得到有助于提高其承載力和剛度的結構參數;通過制定實驗方案，采用力傳感器和位移傳感器測試了優化后主軸的軸向和徑向剛度，實驗結果與仿真結果基本一致，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能設計提供了依據。

作者:夏歡 趙午云 張連新 單位:中國工程物理研究院機械制造工藝研究所