CN110645272B - 基于附加质量运动被动致振耗能的气体静压轴承 - Google Patents

基于附加质量运动被动致振耗能的气体静压轴承 Download PDF

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Abstract

本发明属于航天器物理仿真领域，本发明提供了一种基于附加质量运动被动致振耗能的气体静压轴承，当气体静压轴承发生轴向振动时，带动连接于轴承主体(200)内腔壁的柔性薄板(300)一端同时产生同频率的轴向振动，紧固连接于柔性薄板(300)另一端的附加质量块(400)通过柔性薄板(300)产生滞后于轴承主体(200)的不同频率的被动轴向振动，轴承主体(200)振动产生的能量通过附加质量块(400)的被动振动进行耗散，从而实现气体静压轴承的振动抑制，在不改变轴承承载能力的基础上获得了气体静压轴承的高稳定性、结构简单、承载大等优点，可用于大承载、高稳定性气体静压轴承的适用场合。

Description

基于附加质量运动被动致振耗能的气体静压轴承
技术领域
本发明涉及航天器物理仿真领域，具体地，本发明涉及一种基于附加质量运动被动致振耗能的气体静压轴承。
背景技术
气体静压轴承，以其高运动精度，高运动速度和非接触工作特点，而广泛应用于航天器微低重力环境模拟、超精密加工及测量设备、医疗检测设备等领域。由于气体作高度可压缩性，使得气体静压轴承承载能力、刚度和稳定性难以兼顾，成为制约气体静压轴承技术发展及工程应用的关键技术难点。随着精密超精密设备中，对运动精度和运动速度要求的不断提升，高运动速度带来气体湍流的运动特性更为复杂，导致气体静压轴承极易发生气锤失稳与半涡振动失稳。因此，高稳定性成为未来高速气体静压轴承发展的一个重要方向。
为了提高气体静压轴承的稳定性，针对小孔节流式气体静压轴承，目前多采用增加预紧、减小节流孔径、以及减小均压腔容积等措施；对于减小节流孔径的措施，已发展出德国Aerolas公司的微阵孔节流气体静压轴承，和美国Newway公司的多孔质节流形式气体静压轴承，并占据了大半数的市场应用。但是对于微阵孔节流气体静压轴承和多孔质气体静压轴承，其工作气隙相比小孔节流式气体静压轴承，减小至1/3左右，对气体静压轴承的应用在工作面型精度、供应气体质量等方面带来较大的成本要求。因此，小孔节流气体静压轴承依旧作为大工作气隙工作条件的最佳选择。围绕了提高小孔节流式气体静压轴承的稳定性，学者提出一系列方法。专利CN107269701A中提及一种带气槽的平面气浮轴承，气浮轴承负载变化时,借助压缩后的空气通过气槽被排进和排出轴承，实现轴承内部空间不变，进而抑制了“气锤”现象的发生。该技术仅通过有效的排气实现轴承稳定工作，存在有效承载能力受限、轴承振动抑制能力提升不足等缺点。专利CN101042159A中提及一种高稳定性空气轴承，通过在空气轴承中部区域设计一个由上腔室和下腔室及阻尼孔组成的类似空气弹簧双腔室结构，从而提升空气轴承的阻尼能力。显著降低了外界振动及冲击对轴承系统静态和动态性能的危害，而且加工简单，但是该技术显著增加了空气轴承的内部气腔，导致空气轴承刚度降低等问题。专利CN104533954A中提及的双层气浮轴承，通过多层级形式的气浮轴承，显著增加了气浮主轴的承载力和刚度，但是会带来安装难度显著增加，同时其流体运动的非线性失稳风险增大等问题。专利CN200999795Y中提及一种弹性形变空气轴承，通过工作面只有凹球面周围的环状平面与导轨面发生小面积接触，同时压缩空气容易填充凹芯气腔，来保证工作稳定性，但是该技术带来承载力小等不足。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种基于附加质量运动被动致振耗能的气体静压轴承。
根据本发明提供的一种基于附加质量运动被动致振耗能的气体静压轴承，包括覆板100、轴承主体200、柔性薄板300、附加质量块400、节流塞500以及轴承对应面600；
覆板100和轴承主体200紧固连接并围成内部腔室800；
柔性薄板300和附加质量块400紧固连接并共同组成振动体020，振动体020设置在内部腔室800内；
轴承主体200设置有空气通道700，节流塞500安装在空气通道700内部；
轴承主体200和轴承对应面600相对设置且之间设置有间隙900；
压缩空气010能够通过空气通道700经节流塞500进入间隙900。
优选地，振动体020中靠近柔性薄板300的一端紧固连接在轴承主体200上，另一端为自由端。
优选地，压缩空气010通过空气通道700经过节流塞500进入间隙900，形成薄气膜，通过薄气膜实现轴承主体200的悬浮支撑。
优选地，附加质量块400借助柔性薄板300相对于轴承主体200轴向方向振动。
优选地，通过改变柔性薄板300的外形、附加质量块400的质量等参数，实现轴承主体200固有频率与振动体020固有频率的不同，从而避免轴承主体200、振动体020振动时发生谐振。
优选地，气体静压轴承通过调节节流塞500与轴承主体200的相对安装位置，能够实现小孔节流气体静压轴承形式或环形孔节流气体静压轴承形式。
优选地，所述柔性薄板300与轴承主体200可以为轴向方向连接，也可以是径向方向连接。
优选地，附加质量块400的数量为一个或多个；
柔性薄板300的数量为一个或多个。
根据本发明提供的一种基于附加质量运动被动致振耗能的气体静压轴承，包括覆板100、轴承主体200、柔性薄板300、附加质量块400、节流塞500以及轴承对应面600；
覆板100和轴承主体200紧固连接并围成内部腔室800；
柔性薄板300和附加质量块400紧固连接并共同组成振动体020，振动体020设置在内部腔室800内；
轴承主体200设置有空气通道700，节流塞500安装在空气通道700内部；
轴承主体200和轴承对应面600相对设置且之间设置有间隙900；
压缩空气010能够通过空气通道700经节流塞500进入间隙900；
振动体020中靠近柔性薄板300的一端紧固连接在轴承主体200上，另一端为自由端；
压缩空气010通过空气通道700经过节流塞500进入间隙900，形成薄气膜，通过薄气膜实现轴承主体200的悬浮支撑；
附加质量块400借助柔性薄板300相对于轴承主体200轴向方向振动；
通过改变柔性薄板300的外形、附加质量块400的质量等参数，实现轴承主体200固有频率与振动体020固有频率的不同，从而避免轴承主体200、振动体020振动时发生谐振；
气体静压轴承通过调节节流塞500与轴承主体200的相对安装位置，能够实现小孔节流气体静压轴承形式或环形孔节流气体静压轴承形式；
柔性薄板300与轴承主体200可以为轴向方向连接，也可以是径向方向连接；
附加质量块400的数量为一个或多个；
柔性薄板300的数量为一个或多个。
与现有技术相比，本发明具有结构简单、承载力大等优点，使轴承运行过程中更加的稳定。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明的结构示意图；
图3为具体实施方式二示意图；
图4为具体实施方式三示意图；
图5为具体实施方式四示意图。
图中示出：
Figure BDA0002207741980000041
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
根据本发明提供的一种基于附加质量运动被动致振耗能的气体静压轴承，包括覆板100、轴承主体200、柔性薄板300、附加质量块400、节流塞500以及轴承对应面600，覆板100和轴承主体200紧固连接并围成内部腔室800，柔性薄板300和附加质量块400紧固连接，附加质量块400的数量为一个或多个，在一个优选例中；附加质量块400的数量为1个，在另一个变化例中附加质量块400的数量为3个固定在一起的结合，柔性薄板300的数量为一个或多个，在一个优选例中为一个，如图1所示，在一个变化例中，在轴承的径向方向设置有4个柔性薄板300，柔性薄板300的一端都紧固连接轴承主体200，另一端都紧固连接在同一个附加质量块400上。
振动体020设置在内部腔室800内，轴承主体200设置有空气通道700，节流塞500安装在空气通道700内部，轴承主体200和轴承对应面600相对设置且之间形成间隙900，压缩空气010能够通过空气通道700经节流塞500进入间隙900形成薄气膜，通过薄气膜实现轴承主体200的悬浮支撑。附加质量块400借助柔性薄板300相对于轴承主体200轴向方向振动，通过改变柔性薄板300的外形、附加质量块400的质量等参数，实现轴承主体200固有频率与振动体020固有频率的不同，从而避免轴承主体200、振动体020振动时发生谐振。
当气体静压轴承发生垂向振动时，轴承主体200跟随气膜厚度的变化产生同幅值同频率振动，带动紧固连接于轴承主体200内腔壁的柔性薄板300一端同时产生同幅值同频率振动，紧固连接于柔性薄板300另一端的附加质量块400通过柔性薄板300产生滞后轴承主体200的不同幅值和不同频率的被动振动，轴承主体200振动产生的能量通过附加质量块400的被动振动进行耗散，从而实现气体静压轴承的振动抑制，获得气体静压轴承的高稳定特性。
气体静压轴承通过调节节流塞500与轴承主体200的相对安装位置，能够实现小孔节流气体静压轴承形式或环形孔节流气体静压轴承形式，所述的气体静压轴承可以采用平面圆柱形气体静压轴承，且不限于以上所述的平面止推气浮轴承形式。下面通过具体的实施例对本发明作进一步详细说明。
具体实施方式一
基于附加质量运动被动致振耗能的气体静压轴承，如图1和图2所示，由轴承主体200、节流塞500和覆板100组成，压缩空气010以P0压力通过设置在轴承主体200中的节流塞500，进入轴承主体200与轴承对应面600之间的间隙900，并形成薄气膜，通过薄气膜实现轴承主体200的悬浮支撑；在轴承主体200上部空腔800内侧壁设置有柔性薄板300和附加质量块400，柔性薄板300一侧紧固连接与轴承主体200，另一侧紧固连接于附加质量块400；轴承运转过程中，附加质量块400通过柔性薄板300可产生相对于轴承主体200的垂直方向运动；当气体静压轴承发生垂向振动时，轴承主体200跟随气膜厚度的变化产生同幅值同频率振动，带动紧固连接于轴承主体200内腔壁的柔性薄板300一端同时产生同幅值同频率振动，紧固连接于柔性薄板300另一端的附加质量块400通过柔性薄板300产生滞后轴承主体200的不同幅值和不同频率的被动振动，轴承主体200振动产生的能量通过附加质量块400的被动振动进行耗散，从而实现气体静压轴承的振动抑制，获得气体静压轴承的高稳定特性。
所述的基于附加质量运动被动致振耗能的气体静压轴承，通过对柔性薄板300的厚度和宽度以及附加质量块400的质量等参数进行优化，可实现轴承主体200的固有频率与由附加质量块400和柔性薄板300组合的固有频率的错开，避免气体静压轴承发生谐振。
所述的基于附加质量运动被动致振耗能的气体静压轴承，气体静压轴承通过调节节流塞500与轴承主体200的相位安装位置，可以实现小孔节流气体静压轴承，或环形孔节流气体静压轴承形式，所述的气体静压轴承可以采用平面圆柱形气体静压轴承，但不限于以上所述的平面止推气浮轴承形式。
具体实施方式二
基于附加质量运动被动致振耗能的气体静压轴承，如图3所示，由轴承主体200、节流塞500和覆板100组成，压缩空气010以P0压力通过设置在轴承主体200中的节流塞500，进入轴承主体200与轴承对应面600之间的间隙900，并形成薄气膜，通过薄气膜实现轴承主体200的悬浮支撑；在轴承主体200上部空腔800内侧壁设置有两块柔性薄板300和一块附加质量块400，两块柔性薄板300一侧紧固连接与轴承主体200，另一侧分别紧固连接于附加质量块400的两侧，两块柔性薄板300相对附加质量块400呈对称补助；轴承运转过程中，附加质量块400通过柔性薄板300产生相对于轴承主体200的垂直方向运动；当气体静压轴承发生垂向振动时，轴承主体200跟随气膜厚度的变化产生同幅值同频率振动，带动紧固连接于轴承主体200内腔壁的两块柔性薄板300一端同时产生同幅值同频率振动，紧固连接于两个个柔性薄板300之间的附加质量块400通过柔性薄板300产生滞后轴承主体200的不同幅值和不同频率的被动振动，轴承主体200振动产生的能量通过附加质量块400的被动振动进行耗散，从而实现气体静压轴承的振动抑制，获得气体静压轴承的高稳定特性。
具体实施方式三
基于附加质量运动被动致振耗能的气体静压轴承，如图4所示，由轴承主体200、节流塞500和覆板100组成，压缩空气010以P0压力通过设置在轴承主体200中的节流塞500，进入轴承主体200与轴承对应面600之间的间隙，并形成薄气膜，通过薄气膜实现轴承主体200的悬浮支撑；在轴承主体200上部空腔800底部设置有柔性弹簧300和附加质量块400，柔性弹簧300一侧紧固连接与轴承主体200，另一侧紧固连接于附加质量块400；附加质量块400通过柔性弹簧300可产生相对于轴承主体200的垂直方向运动；当气体静压轴承发生垂向振动时，轴承主体200跟随气膜厚度的变化产生同幅值同频率振动，带动紧固连接于轴承主体200内腔壁的柔性弹簧300一端同时产生同幅值同频率振动，紧固连接于柔性弹簧300另一端的附加质量块400通过柔性弹簧300产生滞后轴承主体200的不同幅值和不同频率的被动振动，轴承主体200振动产生的能量通过附加质量块400的被动振动进行耗散，从而实现气体静压轴承的振动抑制，获得气体静压轴承的高稳定特性。
具体实施方式四
基于附加质量运动被动致振耗能的气体静压轴承，如图5所示，由轴承主体200、节流塞500和覆板100组成，压缩空气以P0压力通过设置在轴承主体200中的节流塞500，进入轴承主体200与轴承对应面600之间的间隙900，并形成薄气膜，通过薄气膜实现轴承主体200的悬浮支撑；在轴承主体200上部空腔800设置有柔性弹簧300，柔性弹簧310和附加质量块400。柔性弹簧310一侧紧固连接与轴承主体200，另一侧紧固连接于附加质量块400；柔性弹簧300一侧紧固连接与覆板100，另一侧紧固连接于附加质量块400；附加质量块400通过柔性弹簧300和柔性弹簧310可产生相对于轴承主体200的垂直方向运动；当气体静压轴承发生垂向振动时，轴承主体200跟随气膜厚度的变化产生同幅值同频率振动，带动紧固连接于轴承主体200内腔800的柔性弹簧310和紧固连接于覆板100的柔性弹簧300一端同时产生同幅值同频率振动，紧固连接于柔性弹簧300和柔性弹簧310另一端的附加质量块400通过柔性弹簧300和柔性弹簧310产生滞后轴承主体200的不同幅值和不同频率的被动振动，轴承主体200振动产生的能量通过附加质量块400的被动振动进行耗散，从而实现气体静压轴承的振动抑制，获得气体静压轴承的高稳定特性。
在本申请的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (4)

1.一种基于附加质量运动被动致振耗能的气体静压轴承，其特征在于，包括覆板(100)、轴承主体(200)、柔性薄板(300)、附加质量块(400)、节流塞(500)以及轴承对应面(600)；
覆板(100)和轴承主体(200)紧固连接并围成内部腔室(800)；
柔性薄板(300)和附加质量块(400)紧固连接并共同组成振动体(020)，振动体(020)设置在内部腔室(800)内；
轴承主体(200)设置有空气通道(700)，节流塞(500)安装在空气通道(700)内部；
轴承主体(200)和轴承对应面(600)相对设置且之间设置有间隙(900)；
压缩空气(010)能够通过空气通道(700)经节流塞(500)进入间隙(900)；
振动体(020)中靠近柔性薄板(300)的一端紧固连接在轴承主体(200)上，另一端为自由端；
压缩空气(010)通过空气通道(700)经过节流塞(500)进入间隙(900)，形成薄气膜，通过薄气膜实现轴承主体(200)的悬浮支撑；
气体静压轴承通过调节节流塞(500)与轴承主体(200)的相对安装位置，能够实现小孔节流气体静压轴承形式或环形孔节流气体静压轴承形式。
2.根据权利要求1所述的基于附加质量运动被动致振耗能的气体静压轴承，其特征在于，附加质量块(400)借助柔性薄板(300)相对于轴承主体(200)轴向方向振动；
通过改变柔性薄板(300)的外形、附加质量块(400)的质量参数，实现轴承主体(200)固有频率与振动体(020)固有频率的不同，从而避免轴承主体(200)、振动体(020)振动时发生谐振；
所述柔性薄板(300)与轴承主体(200)为轴向方向连接，或者是径向方向连接。
3.根据权利要求1所述的基于附加质量运动被动致振耗能的气体静压轴承，其特征在于，附加质量块(400)的数量为一个或多个；
柔性薄板(300)的数量为一个或多个。
4.一种基于附加质量运动被动致振耗能的气体静压轴承，其特征在于，包括覆板(100)、轴承主体(200)、柔性薄板(300)、附加质量块(400)、节流塞(500)以及轴承对应面(600)；
覆板(100)和轴承主体(200)紧固连接并围成内部腔室(800)；
柔性薄板(300)和附加质量块(400)紧固连接并共同组成振动体(020)，振动体(020)设置在内部腔室(800)内；
轴承主体(200)设置有空气通道(700)，节流塞(500)安装在空气通道(700)内部；
轴承主体(200)和轴承对应面(600)相对设置且之间设置有间隙(900)；
压缩空气(010)能够通过空气通道(700)经节流塞(500)进入间隙(900)；
振动体(020)中靠近柔性薄板(300)的一端紧固连接在轴承主体(200)上，另一端为自由端；
压缩空气(010)通过空气通道(700)经过节流塞(500)进入间隙(900)，形成薄气膜，通过薄气膜实现轴承主体(200)的悬浮支撑；
附加质量块(400)借助柔性薄板(300)相对于轴承主体(200)轴向方向振动；
通过改变柔性薄板(300)的外形、附加质量块(400)的质量等参数，实现轴承主体(200)固有频率与振动体(020)固有频率的不同，从而避免轴承主体(200)、振动体(020)振动时发生谐振；
气体静压轴承通过调节节流塞(500)与轴承主体(200)的相对安装位置，能够实现小孔节流气体静压轴承形式或环形孔节流气体静压轴承形式；
柔性薄板(300)与轴承主体(200)可以为轴向方向连接，也可以是径向方向连接；
附加质量块(400)的数量为一个或多个；
柔性薄板(300)的数量为一个或多个。
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