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多孔质气体静压止推轴承关键技术研究

发布时间:2020-11-22 17:27
   气体静压轴承是精密、超精密设备中的重要部件之一,具有精度高、无摩擦、无污染等优点。随着精密、超精密技术的飞速发展,对气体静压轴承的刚度、精度及稳定性的要求也不断地提高。与传统的小孔节流相比,多孔质节流具有高承载力、高刚度和高阻尼等优点,且已经受到国内外学者的关注。其中,多孔质材料渗透系数的测试方法及多孔质气体静压轴承性能的数值计算方法和测试方法是研究的难点。本文针对这一前沿课题展开研究工作,旨在探索多孔质材料渗透系数的测试方法和研究多孔质气体静压轴承静态性能的数值计算和测试方法。主要内容如下: (1)本文在考虑气体的可压缩性和气体在多孔质材料中的流动存在惯性损失影响的前提下,建立各向同性多孔质材料渗透系数的数学模型,提出了一种各向同性多孔质石墨渗透系数的测试方法。设计了一套实验装置,测量不同供气压力下的体积流量,计算得到多孔质石墨试件的渗透系数,并通过实验验证了该测试方法的可行性。 (2)本文从流体三维流动的基本控制方程出发,结合气体静压轴承实际工作情况,在一定的基本假设前提下,分别研究了全多孔质气体静压止推轴承和局部多孔质气体静压止推轴承静态性能的计算模型。 (3)本文应用基于有限体积法的FLUENT软件,依次对全多孔质节流和局部多孔质节流气体静压止推轴承进行了三维数值模拟计算,分析了轴承节流器的结构参数、多孔介质的特性参数以及工况参数对轴承静特性的影响,得出了相应的承载力、静态刚度和气体消耗量随气膜间隙变化的曲线,并提出了几点关于这两种不同节流形式气体静压止推轴承设计的建议。 (4)本文自行构建了气体静压止推轴承性能测试平台,分别对全多孔质石墨气体静压止推轴承、局部多孔质气体静压止推轴承和小孔节流气体静压止推轴承的静态性能进行了测试研究,并与数值计算结果进行了对比分析。实验结果与数值计算结果吻合较好,验证了数值计算方法的准确性。当供气压力为0.5MPa,多孔质材料其粘性渗透系数为7.877×10-15m2、厚度为10mm、直径为45mm、气膜间隙为3μm~5μm时,全多孔质气体静压止推轴承的最大静态刚度超过70N/μm。与具有相同工作面积的局部多孔质气体静压轴承和小孔节流气体静压轴承的测试结果相比,全多孔质气体静压轴承具有更高的静态刚度,具有很好的应用前景。 本文通过数值计算分析和实验研究,对多孔质石墨渗透系数的测试方法和气体静压止推轴承静特性进行探索,为多孔质石墨气体静压止推轴承的应用提供了技术支持。
【学位单位】:中国工程物理研究院
【学位级别】:硕士
【学位年份】:2010
【中图分类】:TH133.36
【文章目录】:
摘要
Abstract
目录
第一章 绪论
    1.1 课题来源及研究的意义
        1.1.1 课题来源
        1.1.2 课题研究的背景及意义
    1.2 国内外研究现状
        1.2.1 国外发展状况
        1.2.2 国内发展状况
    1.3 气体静压轴承内部流场数值计算中的主要方法
        1.3.1 流体内部流场数值计算的主要方法
        1.3.2 CFD软件及其在气体润滑轴承方面的应用
    1.4 本文主要研究内容
第二章 多孔质石墨渗透系数的测试方法研究
    2.1 引言
    2.2 多孔质石墨渗透系数测试方法的理论分析
        2.2.1 多孔介质渗透系数的表征
        2.2.2 多孔质石墨渗透系数的数学模型
    2.3 多孔质石墨渗透系数测试方法的实验研究
        2.3.1 多孔质石墨材料的制备工艺简介
        2.3.2 多孔介质渗透系数测试装置设计
        2.3.3 多孔质石墨渗透系数的测试结果及分析
    2.4 本章小结
第三章 多孔质气体静压止推轴承静态性能的理论分析
    3.1 引言
    3.2 流体多维流动的基本控制方程
        3.2.1 质量守恒方程
        3.2.2 动量守恒方程
        3.2.3 能量守恒方程
        3.2.4 控制方程的通用形式
    3.3 多孔质气体静压止推轴承计算模型简介
        3.3.1 全多孔质气体静压止推轴承计算模型
        3.3.2 局部多孔质气体静压止推轴承计算模型
    3.4 多孔质气体静压止推轴承的静态性能
    3.5 本章小结
第四章 多孔质气体静压止推轴承静态性能的数值分析
    4.1 引言
    4.2 FLUENT软件及其应用
    4.3 利用FLUENT仿真全多孔质气体静压止推轴承
        4.3.1 模型建立、网格划分以及边界条件设定
        4.3.2 FLUENT仿真实例
        4.3.3 仿真数据分析
    4.4 多孔质气体静压止推轴承静态性能的影响因素分析
        4.4.1 全多孔质气体静压止推轴承的静态性能分析
        4.4.2 局部多孔质气体静压止推轴承的静态性能分析
    4.5 多孔质气体静压止推轴承设计的几点建议
        4.5.1 关于多孔质节流形式选择的建议
        4.5.2 全多孔质气体静压止推轴承的设计建议
        4.5.3 局部多孔质气体静压止推轴承的设计建议
    4.6 本章小结
第五章 多孔质气体静压止推轴承静态性能的实验研究
    5.1 引言
    5.2 实验设计
        5.2.1 实验系统工作原理及实验装置
        5.2.2 实验内容
        5.2.3 实验条件
    5.3 实验结果与分析
        5.3.1 全多孔质气体静压止推轴承静态性能测试实验
        5.3.2 局部多孔质气体静压止推轴承静态性能测试实验
        5.3.3 小孔型气体静压止推轴承静态性能测试实验
    5.4 本章小结
第六章 结论及展望
    6.1 结论
    6.2 研究展望
致谢
参考文献
攻读硕士期间发表的论文
攻读硕士期间参加的学术活动
附录Ⅰ 多孔质石墨渗透系数测试数据
附录Ⅱ 全多孔质气体静压止推轴承静态性能数据
附录Ⅲ 局部多孔质气体静压止推轴承静态性能数据
附录Ⅳ 小孔型气体静压止推轴承静态性能数据

【参考文献】

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本文编号:2894613

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