CN110276136A - 一种止推板、止推板设计方法及空气静压轴承 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种空气静压轴承止推板的设计方法，该方法的步骤为，S1、根据理想气膜厚度计算出止推板上的气膜压力分布；S2、根据步骤S1中气膜压力分布，计算得到止推板受气膜压力的影响所产生的变形量；S3、将该变形量对应的补偿到止推板的厚度上；S4、计算补偿后的止推板在气膜压力作用下的实际气膜厚度；S5、判断实际气膜厚度与理想气膜厚度之间的偏差，若偏差较大时，继续执行步骤S2至S5，直至实际气膜厚度接近于理想气膜厚度为止。本发明基于流体力学、流固耦合原理和有限元仿真方法，通过补偿气膜厚度的方式，在保证止推板的轻量化的同时，保证了空气静压轴承的理想刚度和承载力，也保证了空气静压轴承的动态性能最优化。

Description

一种止推板、止推板设计方法及空气静压轴承
技术领域
本发明涉及超精密运动与超精密测量技术领域，尤其是涉及一种止推板、止推板设计方法及空气静压轴承。
背景技术
随着我国国防工业、航天航空和电子技术等前沿科技的蓬勃发展，对超精密加工及超精密测量设备精度的要求越来越严苛。发展超精密加工及检测技术已经成为当今机械行业的重要发展方向。
在超精密加工及检测设备中，对移动部件的高速度和高运动精度提出了极高的要求。相对于传统液体润滑油膜轴承，空气静压轴承利用空气作为润滑介质，运动部件之间没有直接接触，因而具有极低摩擦力和发热量；其气膜具有均化效应，导致其在高速转速下也能保证极低的振动。空气静压轴承作为滑动轴承的一种，因其以上提到优异的动态性能使其被广泛的应用于超精密加工及测量领域。
在空气静压轴承中，止推板的设计对其动态性能起着至关重要的作用。如果一味地考虑轻量化需求，减小止推板厚度，会导致其在气膜压力的作用下产生形变，向上翘曲，导致设计气膜厚度与实际气膜厚度之间存在偏差，从而使刚性下降。如果只考虑其对刚性的需求，一味地增加止推板厚度，会导致固有频率降低，从而影响动态性能。在现有的空气止推轴承设计方法中，缺乏一种考虑到流固耦合的影响，在保证空气止推轴承动态性能的前提下，使工作气膜厚度等于理想气膜厚度，从而达到理想的刚度及承载力的方法。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种空气静压轴承止推板及设计方法，解决在空气静压止推轴承中，由于气膜压力导致的止推板形变而造成气膜间隙变大，从而导致主轴性能下降的问题。
本发明解决其技术问题所采取的技术方案是：一种空气静压轴承止推板的设计方法，该方法的步骤为，
S1、运用流体力学原理，根据理想气膜厚度计算出止推板上的气膜压力分布；
S2、根据步骤S1中气膜压力分布，通过气体静压原理计算得到止推板受气膜压力的影响所产生的变形量；
S3、将该变形量对应的补偿到止推板的厚度上；
S4、通过有限元仿真软件计算补偿后的止推板在气膜压力作用下的实际气膜厚度；
S5、判断实际气膜厚度与理想气膜厚度之间的偏差，若偏差较大时，继续执行步骤S2至S5，直至实际气膜厚度接近于理想气膜厚度为止。
进一步具体的，所述的步骤S1中根据空气静压轴承的结构尺寸进行有限元网格划分，之后对止推板的结构尺寸进行有限元网格划分，根据理想气膜厚度并通过流量均衡原理计算得到止推板的气膜压力分布。
进一步具体的，在所述的步骤S2中将气膜压力赋予到止推板相对应位置的节点上，计算得到止推板的变形量。
进一步具体的，所述的止推板与机器主轴连接的位置在X轴以及Y轴方向上进行约束，使得该位置在气膜压力作用下不产生位移。
进一步具体的，在所述的步骤S5之后得到的变形量拟合为一个一元三次函数。
进一步具体的，在所述的步骤S5之后对空气静压轴承通过有限元仿真计算其承载力与刚度，检验其是否达到设计标准。
一种基于上述设计方法制作的止推板，所述的止推板的厚度从内侧开始向外侧延伸为连续性增加。
进一步具体的，所述止推板厚度的连续性增加幅度为在步骤S5之后得到的变形量拟合而成的一元三次函数。
一种空气静压轴承，所述的空气静压轴承采用上述所述的止推板。
本发明的有益效果是：本发明基于流体力学、流固耦合原理和有限元仿真方法实现，通过补偿气膜厚度的方式，在保证止推板的轻量化的同时，保证了空气静压轴承的理想刚度和承载力，同时也保证了空气静压轴承的动态性能最优化，该方法利用有限元仿真建模，效率高、操作简单、结果可靠，对空气静压轴承的设计具有重要意义。
附图说明
图1是本发明的设计流程示意图；
图2是本发明的气膜压力分布以及止推板翘曲示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作详细的描述。
如图1所示一种空气静压轴承止推板的设计方法，该方法的步骤为，
S1、运用流体力学原理，根据理想气膜厚度计算出止推板上的气膜压力分布；首先，对止推板与机器主轴连接的位置在X轴以及Y轴方向上进行约束，使得该位置在气膜压力作用下不产生位移，之后根据空气静压轴承的结构尺寸，采用有限元方法进行有限元网格的划分，之后对止推板的结构尺寸采用与空气静压轴承相同的有限元网格的划分，最后根据流量均衡原理计算得到作用于止推板上的气膜压力分布。
S2、根据步骤S1中气膜压力分布的状况，将该气膜压力赋予到止推板相对应位置的节点上，通过气体静压原理计算得到止推板受气膜压力的影响所产生的变形量。
S3、将该变形量对应的补偿到止推板的厚度上，计算出止推板各个位置的的厚度。
S4、通过有限元仿真软件计算补偿后的止推板在气膜压力作用下的实际气膜厚度；
S5、判断实际气膜厚度与理想气膜厚度之间的偏差，若偏差较大时，继续执行步骤S2至S5，直至实际气膜厚度接近于理想气膜厚度为止。
基于上述对于止推板的设计方法，而得出止推板各个节点的变形量，由这些变形量可以拟合为一个一元三次函数，h(x)＝ax3+bx2+cx，a、b、c的数值根据实际变形量进行拟合得出，而实际变形量需要由实际气体压力而定。
根据上述一元三次函数对止推板的厚度进行确定，所述的止推板的厚度从内侧开始向外侧延伸为连续性增加。
最后，对设计后的空气静压轴承进行测试，通过有限元仿真计算得到空气静压轴承的承载力以及刚度，看是否符合设计要求，若符合可以根据上述设计进行生产，若不符合找出上述设计的问题继续修改。
基于上述设计，采用上述补偿后的止推板可以制作出性能最优的空气静压轴承。
综上，在ANSYS中建立的空气静压轴承中，止推板在气膜压力的作用下产生形变、向上翘曲的仿真模型，所获得的仿真结果(如图2所示)，通过上述方式实现了补偿气膜厚度的空气静压轴承止推板的设计，并基于流体力学、流固耦合原理以及有限元分析方法实现，在保证了止推板轻量化的前提下，保证了空气静压轴承接近理想承载力及刚度，同时也保证了空气静压轴承的动态性能为最优。
需要强调的是：以上仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (9)

1.一种空气静压轴承止推板的设计方法，其特征在于，该方法的步骤为，
S1、运用流体力学原理，根据理想气膜厚度计算出止推板上的气膜压力分布；
S2、根据步骤S1中气膜压力分布，通过气体静压原理计算得到止推板受气膜压力的影响所产生的变形量；
S3、将该变形量对应的补偿到止推板的厚度上；
S4、通过有限元仿真软件计算补偿后的止推板在气膜压力作用下的实际气膜厚度；
S5、判断实际气膜厚度与理想气膜厚度之间的偏差，若偏差较大时，继续执行步骤S2至S5，直至实际气膜厚度接近于理想气膜厚度为止。
2.根据权利要求1所述的空气静压轴承止推板的设计方法，其特征在于，所述的步骤S1中根据空气静压轴承的结构尺寸进行有限元网格划分，之后对止推板的结构尺寸进行有限元网格划分，根据理想气膜厚度并通过流量均衡原理计算得到止推板的气膜压力分布。
3.根据权利要求2所述的空气静压轴承止推板的设计方法，其特征在于，在所述的步骤S2中将气膜压力赋予到止推板相对应位置的节点上，计算得到止推板的变形量。
4.根据权利要求2所述的空气静压轴承止推板的设计方法，其特征在于，所述的止推板与机器主轴连接的位置在X轴以及Y轴方向上进行约束，使得该位置在气膜压力作用下不产生位移。
5.根据权利要求1所述的空气静压轴承止推板的设计方法，其特征在于，在所述的步骤S5之后得到的变形量拟合为一个一元三次函数。
6.根据权利要求1所述的空气静压轴承止推板的设计方法，其特征在于，在所述的步骤S5之后对空气静压轴承通过有限元仿真计算其承载力与刚度，检验其是否达到设计标准。
7.一种根据权利要求1的设计方法制作的止推板，其特征在于，所述的止推板的厚度从内侧开始向外侧延伸为连续性增加。
8.根据权利要求7所述的止推板，其特征在于，所述止推板厚度的连续性增加幅度为在步骤S5之后得到的变形量拟合而成的一元三次函数。
9.一种空气静压轴承，其特征在于，所述的空气静压轴承采用权利要求7或8中任意一项所述的止推板。
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