CN106640970B - 一种弱化气膜波动的气腔结构 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种弱化气膜波动的气腔结构，该结构为一种减弱气旋现象的静压轴承的气腔结构。空气经过压缩机压缩后经节流孔流入气腔结构，形成稳定的压力区域，在气腔与气膜的连接处由于气腔的高度远大于气膜厚度，在此处气体的流动方向又会发生90度改变，所以在气腔与气膜的交界处会出现气旋现象。本发明的结构特征是在圆锥台型的气腔结构内部设置内槽结构，来减弱气体的气旋现象。本发明结构简单、运行稳定、可靠性高，进一步提高了静压轴承的应用精度和气浮工作台的加工精度。

Description

一种弱化气膜波动的气腔结构
技术领域
本发明涉及圆台型气腔的结构优化设计，适用于气浮轴承的气膜波动分析。
背景技术
气浮工作台由于在工作过程中，工作台与溜板无直接接触，摩擦力小等优点，被广泛应用于精密超精密加工中，作为超精密加工的关键运行部件，工作台的稳定性对机床加工精度起者非常关键的作用。气浮轴承是工作台运动部件的基础，气浮轴承的不稳定性直接影响到工作台的精度。气浮轴承的工作介质是具有可压缩性的气体,容易引起微小的自激振动,这将导致工作台的导向和定位精度的降低，这对于精度要求达到纳米级的运动系统是极为有害的，所以说采取措施减小气浮工作台的气膜波动的是非常重要的。
气浮式工作台引起气膜波动的原因尚未明确，气膜波动也并非是传统意义上的气锤现象，而是工作台在发生气膜波动时仍处于正常的工作状态。这种振动的一个显著特点是只有在气浮轴承通气时才出现,因此显然是一种流体引发的振动，但这种波动产生的具体原因并没有给出合理的解释，目前研究发现影响因素有压力源压力、节流孔孔径、气腔直径和深度、气膜厚度等原因,但并未找到完全能抑制气膜波动的方法与措施。矩形结构的气腔相比较其他形状的气腔，工作台的承载能力和稳定性相对较好，然而气膜波动并未完全抑制，因此本研究从改变气腔形状入手,对气浮式工作台自激振动的抑制进行设计分析。
发明内容
针对抑制气膜波动的问题，本发明设计一种气腔结构。根据微尺度下气体的流动特性，同时结合气浮工作台的承载力、刚度等性能参数，通过利用 CFX软件对设计的结构气腔进行仿真分析，得到一种能减小气膜波动的气腔结构。
本发明是涉及一种内槽式圆台型气腔的结构，该结构在圆台型的气腔内部采用内槽式阻尼的设计，从而减小气膜的波动。通过流体的仿真技术，发现此种结构相比较传统的矩形腔，能极大减弱气体的气旋现象，尤其是在拐角处，并且减小了气体的流速。
一种弱化气膜波动的气腔结构，该气腔结构形状主要基于一圆台气腔结构，在上端部设计一倒小圆台结构，具体结构见图1。该气腔结构包括内槽1、圆台型气腔2、节流孔3、气膜4；圆台型气腔2设置在气膜4上，圆台型气腔2的中间为内槽1，节流孔3设置在内槽1内。
对该弱化气膜波动的气腔结构进行仿真，仿真步骤包括以下步骤：
(1)根据气浮工作台的工况，建立内槽式圆台型气腔的仿真模型和传统的矩形气腔仿真模型。模型分别见图2。仿真模型包括节流孔结构、气腔结构和气膜结构，节流孔结构设置在气腔结构中间，气膜结构设置在气腔结构的外侧。其中，节流孔结构中的节流孔直径为d＝0.4mm，节流孔的高度为h＝0.5mm，气膜结构中的气膜厚度为h1＝0.01mm。
(2)利用CFX仿真软件，通过网格划分，建立气流的边界模型，为保证计算精度，该模型的网格划分采用四面体网格划分，减少网格数量。
(3)设置仿真的初始值和边界条件如下：①温度为293.15K；②参考压强为标准大气压1atm；③入射压强为0.5MPa；④气体密度为1.205kg/m3；⑤空气的动力学粘度为1.82Ns/m2；⑥出口边界截面压力为标准大气压；⑦壁面为流场的边界；⑧整个过程没有热量的传递和化学变化。在此条件下对两种气腔结构进行仿真，获得气膜内部的气体流动状态图，如图3 和图4 所示。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
本发明主要应用于精密超精密气浮工作台，本发明的内槽式圆台型结构与传统的矩形结构仿真进行对比，本发明的气腔结构能极大的弱化气膜产生的气旋现象，减小气体波动，减小气体在微尺度间隙的流动速度，从而提高工作台的运动精度。另外，本发明的气腔结构通用性强，为实际机床加工中提高加工精度提供依据。
附图说明
图1内槽式圆台型气腔的结构。
图2内槽式圆台型气腔仿真模型。
图3内槽式圆台型气腔内气体的流动状态图。
图4传统的矩形腔内气体的流动状态图。
图中：1、内槽，2、圆台型气腔，3、节流孔，4、气膜，5、传统矩形气腔。
具体实施方式
如图1-4所示，为使本发明的目的、技术方案和有点更加明确，下边结合附图对本发明的工作原理、结构及具体实施方式进一步介绍。气体经节流孔流入气腔结构，由于气腔是空气经过压缩机压缩后通过节流孔的形成稳定压力区域，气腔结构的设计直接影响空气静压导轨的承载力、刚度等力学特性，是设计空气静压导轨的关键之一。本发明的核心技术是气腔结构采用内槽式圆台气腔结构，这样可以减弱气体在流动时产生的气旋现象。
一种内槽式阻尼的圆锥台式的气腔结构，其主要应用在气浮轴承，对轴承间隙提供加压气体，从而实现气体润滑。
所设计的气腔结构含有节流孔3、圆台型气腔2、内槽1。其中：
节流孔3的直径为d＝0.4mm，节流孔的高度为h＝0.5mm。
圆台型气腔2为主气腔结构，主气腔结构为一圆锥台气腔结构。基本设计尺寸如下：上口直径＝2mm，下口直径＝3mm，斜边角度＝45°。
内槽1为一倒放的圆锥台结构。基本设计尺寸如下：上口直径＝0.6mm，下口直径＝0.8mm，斜边角度＝45°。
气膜结构4的厚度为0.01mm。
本发明的模型仿真由安装在计算机上的软件程序实现。应用软件为CFX 软件。具体包括以下步骤：
步骤1，根据气浮工作台的工况，建立内槽式圆台型气腔的仿真模型和传统矩形气腔的仿真模型。
步骤2，通过CFX的仿真软件，对模型进行合理的网格划分，得到气体的有限元模型。
步骤3，通过CFX的仿真，模拟出气膜流场中发生的变化。
空气经过压缩机压缩后经节流孔流入气腔结构，形成稳定的压力区域，在气腔与气膜的连接处由于气腔的高度远大于气膜厚度，在此处气体的流动方向又会发生90度改变，所以在气腔与气膜的交界处会出现气旋现象。本发明的结构特征是在圆锥台型的气腔结构内部设置内槽结构，来减弱气体的气旋现象。本发明结构简单、运行稳定、可靠性高，进一步提高了静压轴承的应用精度和气浮工作台的加工精度。

Claims (4)

1.一种弱化气膜波动的气腔结构，其特征在于：该气腔结构包括内槽(1)、圆台型气腔(2)、节流孔(3)、气膜(4)；圆台型气腔(2)设置在气膜(4)上，圆台型气腔(2)的中间为内槽(1)，节流孔(3)设置在内槽(1)内；
对该弱化气膜波动的气腔结构进行仿真，仿真步骤包括以下步骤：
(1)根据气浮工作台的工况，建立内槽式圆台型气腔的仿真模型和传统的矩形气腔仿真模型；仿真模型包括节流孔结构、气腔结构和气膜结构，节流孔结构设置在气腔结构中间，气膜结构设置在气腔结构的外侧；其中，节流孔结构中的节流孔直径为d＝0.4mm，节流孔的高度为h＝0.5mm，气膜结构中的气膜厚度为h1＝0.01mm；
(2)利用CFX仿真软件，通过网格划分，建立气流的边界模型，为保证计算精度，该模型的网格划分采用四面体网格划分，减少网格数量；
(3)设置仿真的初始值和边界条件如下：①温度为293.15K；②参考压强为标准大气压1atm；③入射压强为0.5MPa；④气体密度为1.205kg/m3；⑤空气的动力学粘度为1.82Ns/m2；⑥出口边界截面压力为标准大气压；⑦壁面为流场的边界；⑧整个过程没有热量的传递和化学变化；在此条件下对两种气腔结构进行仿真，获得气膜内部的气体流动状态图。
2.根据权利要求1所述的一种弱化气膜波动的气腔结构，其特征在于：圆台型气腔(2)为主气腔结构，主气腔结构为一圆锥台气腔结构；基本设计尺寸如下：上口直径＝2mm，下口直径＝3mm，斜边角度＝45°。
3.根据权利要求1所述的一种弱化气膜波动的气腔结构，其特征在于：内槽( 1) 为一倒放的圆锥台结构；基本设计尺寸如下：上口直径＝0.6mm，下口直径＝0.8mm，斜边角度＝45°。
4.根据权利要求1所述的一种弱化气膜波动的气腔结构，其特征在于：气膜结构(4)的厚度为0.01mm。
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