基于滑移模型数值分析微动压气体轴承静动态特性

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微型动压气体轴承因其高转速、高精度、高可靠性等独特优势,已被微机械领域、微电子领域、超精密加工等领域应用到实际的工业制造中。随着各个领域不断的引入微机电系统,微尺寸下轴承的设计和研发备受各业专家关注,但由于微精密设备结构尺寸微小,尺度效应在一定程度上将会影响微轴承的设计与研发,即现阶段得到的气体轴承稳态理论在实际加工中会出现一定的误差,使得宏观尺寸下的连续模型在分析该类轴承的动力学特性时失效,此时需要研究滑移效应下微轴承动力学特性的变化规律。针对以上问题,深入对比研究了微小间隙下各滑移模型与微型气体轴承动力学特性的变化关系。首先,基于Newton-Raphson迭代法数值计算无滑移边界条件下微型动压气体轴承的稳态数学模型,并在不考虑滑移效应影响时,将数值仿真结果与文献对比验证本文静态程序的无误性,接着建立考虑一阶滑移和Wu新滑移修正后的稳态数学模型,使用经过滑移修正的程序对数学模型进行求解并数值分析滑移流下微轴承的静态特性。其次,基于稳态下微轴承的数学模型建立了连续模型、一阶滑移模型和Wu新滑移模型下轴承的动态数学模型,用有限差分法和SOR迭代法数值计算各模型下的动态方程,在连续模型下对比数值仿真结果与文献数据,验证本文动态程序的准确性,并分析了滑移效应下轴颈扰动频率与气体轴承动态刚度系数和动态阻尼系数的变化关系及滑移效应对轴承刚性转子稳定性的影响。结果表明:在小于1微米的轴承气膜间隙中,传统的连续模型在静态工况下的压强和承载力明显高于考虑一阶滑移和Wu新滑移后的值;随着气膜间隙的变小,三种模型之间结果偏差变大,且其余两种模型较Wu新滑移计算的结果偏差较大,需考虑Wu新滑移分析微小间隙下气体轴承静态特性。轴承动态主刚度系数随扰动频率的变大而变大,轴承动态主阻尼系数呈现先变大后变小的变化趋势;在滑移效应影响下,随着扰动频率的变大,Wu新滑移模型数值分析得到的动特性系数相比其余两个模型值最小。
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