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气体润滑技术是实现超精密运动基准的主要手段,是超精加工装备、超精检测系统和超精密光机电一体化仪器与装备的关键技术之一。随着超精密仪器装备技术的发展,精度性能水平进一步提高,对运动基准技术提出了更高的要求,主要体现在超精密、高刚度和大载荷等方面,经典气体润滑技术承载能力和刚度较低,直接制约和影响了超精密仪器装备技术的发展。 本课题“基于动静压复合润滑原理的气体止推轴承技术”研究的主要目的是解决超精密、高刚度、大载荷和低流量回转基准问题,着重以动静压复合润滑气体止推轴承为对象,开展理论描述、建模、静态试验验证、动态仿真和对比工作,解决其工作机理问题和关键技术问题。 首先,针对莱利轴承的基础理论模型,即无限宽阶形动压平板,进行机理研究,在不可压缩条件下建立了承载能力和刚度的解析模型,分别以最大承载能力和最大刚度为目标函数,对结构参数进行了优化,结果表明:经典理论在无限宽阶形动压平板的优化问题上存在偏差;采用二维有限元仿真技术,在可压缩条件下进行了结构优化,提出了可压缩条件下的最佳结构参数修正方法;采用过渡因子法能够有效抑制沟槽根部的漩流现象,有限元优化结果表明:最佳过度因子为0.6,采用最佳过度因子,承载能力提高6%。 为揭示动静压之间的耦合规律,在不可压缩条件下,以惠普尔理论和压力对数分布假设为基础,构建了三种典型结构形式的动静压复合润滑气体止推轴承,在不可压缩条件下建立了相应的承载能力、刚度和流量的归一化解析模型,对解析模型进行了分析对比,结果表明:(1)泵出式动静压复合润滑气体止推轴承在充分利用了动静压承载能力和刚度的同时,也充分利用了动静压之间的耦合作用,在三种结构形式中其刚度和流量是最大的;(2)人字槽动静压复合润滑气体止推轴承,利用了动静压之间的结构耦合,但动静压之间的压力耦合以及压力与结构之间的交叉耦合没有得到充分利用,其刚度和流量介于泵入式与泵出式之间;(3)对于泵入式动静压复合润滑气体止推轴承,其表面特征函数恒小于零,说明动静压之间的结构耦合严重削弱了承载能力和刚度,而压力耦合却大幅度减小了气体轴承流量,这种形式的复合轴承承载能力、刚度和流量是最小的,在静态条件下,由于动压效应和压力耦合消失,其气体流量反而会大幅度增加。 在对三种典型结构形式的动静压复合润滑气体止推轴承的分析对比基础之上,提出了动静压复合气体轴承的统一归一化解析模型,解析表达了动静压之间的耦合作用机理,为动静压复合润滑技术的研究提供了一种线性化近似方法。 构建了动静压复合润滑气体止推轴承静态实验系统,实验验证了三种典型结构动静压复合润滑气体止推轴承的静态增益系数。实验结果显示:在静态条件下,与经典静压气体润滑轴承相比,泵出式止推轴承极限承载能力提高了5.3倍,最大刚度提高了7.2倍;人字槽止推轴承极限承载能力提高了4.6倍,最大刚度提高了6倍;泵入式止推轴承极限承载能力降低了75%,最大刚度降低了78%,气体流量增大2倍左右,因此这种结构形式不适用于低速轴承。实验过程中未发生不稳定现象。 动态仿真表明:在动态条件下由于动压效应和压力耦合作用,泵出式和人字槽型轴承的承载能力和刚度将进一步提高;而泵入式轴承的承载能力和刚度,在给定参数下,仍然大于经典的静压气体轴承。