空气静压轴承非线性微振动形成机理和耦合特性研究

Because of low friction and high pressure, aerostatic bearing is widely used in ultra-precision machining equipment, sophisticated detection equipment and aerospace’s test fixture. Gas exciting induces nonlinear micro vibration in gas film of aerostatic bearing. The propagation of micro vibration makes an effect on both positionaI accuracy and feed precision, as well as machining precision and detection precision. Based on theory of impinging jet and theory of vibrating fluid dynamics, the formation mechanism of the self-excited micro vibration in gas film is revealed, and corresponding oscillatory differential equation is found. At the same time, the frequency response characteristic and stability are probed. New research methods of natural frequencies of micro vibration and coupling property of aerostatic bearing are given as well based on gas exciting theory in this paper. A universal experiment table for micro vibration of micro- and nanoscale gas film is designed and built to study the vibration performance. In this way, it also puts forward the suppression methods for micro vibration and improves stability of the system. This project supply necessary theoretical approaches and experimental means for research of self-exciting micro vibration in aerostatic bearing, especially for its formation mechanism and coupling property. So it has been became an important part in the field of ultra-precision machining and precision measurement.

空气静压轴承由于摩擦小精度高，已被广泛应用于超精密加工装备、精细工程检测仪器及航空航天测试装备等领域。由于气流激振影响，在轴承气膜内部形成非线性微振动，这种振动沿运动方向传播不仅影响系统的定位精度和进给精度，也会降低整个系统的加工精度和检测精度。本课题基于冲击射流理论和振荡流体力学，揭示气膜内部自激微振动的形成机理，建立气膜微振动的振动微分方程，进一步分析气膜支撑系统的频率响应特性和稳定性。提出了基于气流激振理论分析空气静压轴承微振动固有频率和气固耦合特性的新方法；搭建了微纳尺度气膜的微振动特性测试平台；给出了有效抑制气膜微振动和提高稳定性的方法。本项目将为空气静压轴承中的微振动问题研究，尤其是非线性无源自激振动的形成机理和耦合特性，提供重要理论基础和实验研究手段，对超精密制造装备和精密测量仪器产业的发展具有重要意义。

空气静压轴承广泛应用于超精密加工、微细检测仪器及航空航天装备等领域。.由于节流器导致气腔高压区气流形成涡激振荡，在轴承气膜内部形成三维非线性微振动，同时流体能量顺运过程中引起温度场变化进一步改变固体边界的参数，这种流固热耦合作用下的压力脉动沿运动方向传播不仅影响系统的定位精度和进给精度，也会降低整个系统的加工精度和检测精度。.本项目基于冲击射流理论和气体分子动力学，在传统气体静压润滑理论的基础上，通过分析全域气膜流场的运动规律，特别是高压区局部湍流的发展演化过程，明确了气膜内部自激微振动的形成机理；明确各区域的流动特性和能量传递特征，给出各区域相应的控制方程。并明确提出引起气膜波动的成因与主旋、次旋和出口涡量之间的关系。.建立气膜微振动的振动微分方程，利用三维大涡模拟方法分析不同时刻流场的特征，将气旋形成和涡脱的瞬态过程与气膜波动联系到一起，从能量输运的角度揭示了微振动演化发展过程中的非线性特征；接下来分析气旋的强度、移动速度和稳定位置对气膜微振动的影响；最后得到不同工作参数和结构参数对气膜微振动强度的作用效果和影响规律。.进一步研究不同工况下流场内流态改变引起温度变化和固体边界之间的相互作用。在流固热耦合作用的的影响下，气膜变形后形成的气旋强度、移动速度和运动轨迹对空气静压轴承静动态特性和气膜内部自激微振动现象的影响；最后对比得到不同工作温度和工作环境对气膜微振动强度的作用效果和影响规律。.最后搭建了微纳尺度气膜的微振动特性测试平台，完成了微振动形成机理验证、特性分析、流固热耦合等实验测试；分析了不同均压槽结构和载荷分布不均匀时轴承气膜支撑的稳定性，并将相关结论应用在气动量仪的实际检测效果上，得到了很好的验证。.本项目将为空气静压轴承中的微振动问题研究，尤其是非线性无源自激振动的形成机理和耦合特性，提供重要理论基础和实验研究手段，对超精密制造装备和精密测量仪器产业的发展具有重要意义。