超精密气体静压轴承自激振动形成机理研究.pdf

摘要

气体润滑技术在超精密制造领域的应用所占比重逐渐增大，其各种节流形式

的静压支承的承载力、刚度等静态特性研究也基本成熟。在保证其微纳米的精度等

级并提升其静动态特性的研究过程中，静压支承无可避免地遇到了限制，这就是一

定条件下产生的区别于以往微振动的自激振动，这种振动是一种非稳态的破坏性

振动，其振动幅值较大甚至严重时会超过气膜本身的尺度导致抱轴和轴承损坏影

响正常工作，并伴随持续的尖啸声，且不同结构、不同参数下的自激振动的幅值和

频率都不固定。针对这一现象，国内外学者以产生和抑制为方向进行了相关研究，

但至今都未达成统一意见。因此，本文对自激振动开展了进一步的研究和探索，主

要研究内容如下：

(1)基于大涡模拟方程的气膜微观流场仿真与分析。基于气体润滑的三大守恒

定律通过湍流脉动尺度过滤的方法，得到滤波后的流场控制方程，进行相关尺度的

建模实现大涡模拟仿真。分析了轴承均压腔直径、深度和供气压力对气膜微观流场

的影响规律，基于仿真结果分析在微观层面引发自激振动的因素，为微观流场和宏

观振动的耦合提供微观层面解释。

(2)基于流固耦合方程的轴承自激振动仿真与分析。基于刚体运动和微观流场

的耦合原理建立气膜与主轴的流固耦合模型，结合模态分析观察不同结构的轴承

发生自激振动时的振型，得到自激振动的振动本质。分析了轴承均压腔直径、深度、

供气压力和负载质量对主轴宏观振动的影响规律，与上一章节微观流场的变化规

律进行综合分析，全面揭示自激振动的产生机理。

(3)进行自激振动的实验研究并提出抑制其产生的均压腔结构。基于气体静压

支承的工作原理进行了自激振动实验平台的搭建，测量了不同结构在不同供气压

力下的主轴振动曲线，分析其实际影响规律，与仿真结果进行对比，验证数值仿真

计算结果的正确性。基于自激振动的产生机理，提出新型的均压腔结构以保证轴承

的静态性能的同时实现自激振动的抑制。

关键词：气体静压轴承，自激振动，大涡模拟，流固耦合

ABSTRACT

Gaslubricationtechnologyhasimportantapplicationsinthefieldofultra-precision

manufacturing.Theresearchoftheaerostaticbearingwithvariousthrottlingformsis

basicallymature,suchasbearingcapacity,stiffnessandotherstaticcharacteristics.The

optimizationofaerostaticbearinginevitablyencounteredlimitationsintheprocessof

improvingstaticcharacteristicswithhighlevelofaccuracy.However,aerostaticbearing

hasphenomenonofself-excitedvibrationorpneumatichammervibrationundercertain

conditionsthatisdifferentfromthenano-vibration.Itisakindofnon-stationary

destructivevibrationandwillleadtothedamageoftheshaftandthebearinginserious

condition.Andthepneumatichammerhascharacteristicsoflargeramplitudewith

continuoushowling.Domesticandforeignscholarshavecarriedoutrelevantresearchon

thegenerationandinhibitionofpneumatichammervibrationsimulationandexperiment,

butconsensusonthephen