气体挤压膜悬浮轴承的优化设计

发布时间：2017-04-29 18:20

  本文关键词：气体挤压膜悬浮轴承的优化设计，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：气体挤压膜润滑是在电致或磁致伸缩材料制成的换能器驱动或其他方式驱动下使两表面在法线方向作高频振动，从而使两表面间隙内的气体不断交替产生负压和正压的润滑方式。正压与负压的不对称性使挤压膜具有承载能力。相对于气体静压润滑和气体动压润滑，气体挤压膜润滑具有结构简单，不需要外部气源等优点。在精密工程和微细加工领域，气体挤压膜润滑有着广阔的应用前景，因此，气体挤压膜轴承的研究具有重要意义。 本文以气体挤压膜动力学理论为基础，建立气体润滑的理论模型。通过气体润滑方程推导出气体挤压膜润滑的控制方程，采用有限差分方法对可压缩气体的非线性控制方程进行数值求解，分析了激励振幅、激振频率等参数对挤压膜的影响。由于挤压膜内部和外部气流交换会导致边界压力发生变化，，在大挤压数条件下，采用传统边界条件即边界处气压等于外界大气压求解模型存在较大的误差，因此通过分析给出了一种合适的挤压膜求解远端边界条件。基于柔性铰链原理设计了一种径向挤压膜轴承，为提高其承载能力，利用结构优化方法对新提出的挤压膜径向轴承进行结构优化设计。在理论分析的基础上，对气体挤压膜悬浮圆盘及所设计的超声挤压膜轴承进行了试验测试，测试了激励电压、频率等参数对悬浮高度和悬浮能力的影响。 理论研究与试验证明振幅对挤压膜承载能力的影响比激振频率显著，振幅越大，悬浮性能越好；随着激振频率的增大，承载能力变大，当激振频率大于某一值时，承载能力趋于稳定；低挤压数时，采用传统边界条件求解挤压膜控制方程更为简单方便；而在大挤压数时，远端边界条件计算结果更为精确；优化后的气体挤压膜径向轴承可以获得更大气膜厚度；理论结果与实验结果较为吻合。
【关键词】：气体挤压膜 径向轴承 承载能力 边界条件 结构优化
【学位授予单位】：南京航空航天大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TH133.3
【目录】：

• 摘要4-5
• ABSTRACT5-8
• 图清单8-10
• 表清单10-11
• 注释表11-12
• 缩略词12-13
• 第一章 绪论13-21
• 1.1 气体润滑特性13-15
• 1.1.1 润滑概述13
• 1.1.2 气体润滑13-15
• 1.2 气体挤压膜研究背景15-19
• 1.2.1 挤压膜研究概况15-16
• 1.2.2 气体挤压膜轴承研究发展状况16-19
• 1.3 本文研究内容安排19-21
• 第二章 气体挤压膜理论分析21-34
• 2.1 挤压膜控制方程的建立21-25
• 2.1.1 Navier-Stockes 方程推导21-22
• 2.1.2 连续性方程22-23
• 2.1.3 气体 Reynolds 方程推导23-25
• 2.2 气体挤压膜理论分析25-33
• 2.2.1 控制方程的数值求解25-28
• 2.2.2 计算结果分析28-33
• 2.3 本章小结33-34
• 第三章 气体挤压膜边界影响分析34-42
• 3.1 气体边界条件分析34-35
• 3.2 间隙气体速度分布35-37
• 3.3 基于 FLOTRAN 的气体挤压膜边界速度和压力分布分析37-41
• 3.3.1 ANSYS FLOTRAN CFD 介绍37-38
• 3.3.2 速度与压力分布分析38-41
• 3.4 本章小结41-42
• 第四章 径向气体挤压膜轴承设计及优化42-56
• 4.1 柔性铰链结构设计42-43
• 4.2 气体挤压膜轴承的动力学分析43-47
• 4.2.1 结构模态分析原理43-44
• 4.2.2 基于 ANSYS 的模态分析44-45
• 4.2.3 气体挤压膜轴承模态分析45-47
• 4.2.3.1 气体挤压膜轴承实体模型建立45-46
• 4.2.3.2 气体挤压膜轴承有限元模型创建46
• 4.2.3.3 振动模态分析46-47
• 4.3 挤压膜轴承结构强度分析47-49
• 4.4 径向气体挤压膜轴承优化设计49-55
• 4.4.1 优化设计基本概念49-52
• 4.4.1.1 设计变量的确定50-51
• 4.4.1.2 目标函数的确定51
• 4.4.1.3 约束条件的确定51
• 4.4.1.4 优化数学模型建立51-52
• 4.4.2 ANSYS 优化工具52-53
• 4.4.3 优化结果分析53-55
• 4.5 本章小结55-56
• 第五章 气体挤压膜实验分析56-70
• 5.1 实验激励装置56-61
• 5.1.1 压电陶瓷制备56-58
• 5.1.2 超声变幅杆设计58-59
• 5.1.3 信号发生器选择59-60
• 5.1.4 功率放大器选择60-61
• 5.2 信号采集与处理61-63
• 5.3 柔性铰链结构径向气体挤压膜轴承设计及加工63-64
• 5.4 气体挤压膜悬浮试验及分析64-69
• 5.4.1 超声变幅杆实验及分析64-67
• 5.4.2 气体挤压膜轴承悬浮试验台搭建与实验分析67-69
• 5.5 本章小结69-70
• 第六章 总结与展望70-72
• 6.1 总结70-71
• 6.2 不足及展望71-72
• 参考文献72-76
• 致谢76-77
• 在学期间的研究成果及发表的学术论文77

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前3条

1 吴鹰飞,周兆英;柔性铰链的设计计算[J];工程力学;2002年06期

2 张小峰,张红武;Crank-Nicolson格式精度的改进[J];水科学进展;2001年01期

3 景敏卿;刘恒;沈园;虞烈;;新型挤压膜气体轴承的研究[J];西安交通大学学报;2008年07期

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本文编号：335396