基于负泊松比结构的动静压轴承自适应调节机理与方法研究

The online control of running accuracy of hybrid journal bearing is one of the key techniques to keep the good performance of high-speed precision spindle in full rotation range. Aimed at the disadvantages of existing online control techniques, such as poor controllability, response hysteresis and poor robustness, a new adaptive adjustment method based on the negative Poisson’s ratio structure is proposed. Firstly, considering the fluid-solid coupling, energy equation and turbulent flow, the comprehensive analysis model of hybrid journal bearing is established for analyzing the change of supplying pressure in full rotation range. Based on which, the method for obtaining best supplying pressure is developed. Secondly, a thermal mechanical coupling model is proposed for the negative Poisson’s ratio structure, the mechanism and the controllable design method is studied and the controllable design of supply oil device made of negative Poisson’s ratio structure is achieved. Thirdly, an analysis model which combining the supply oil device, hybrid journal bearing and the spindle is developed. The mechanism of running precision adjusted by the supply oil device in full rotation range is studied. Optimum design method of supply oil device is proposed to meet the demand of best supply pressure in full rotation range. Finally, the technique of pressure and temperature measurement and axis position measurement is studied to validate the effectiveness of adoptive adjustment method for hybrid journal bearing based on the negative Poisson’s ratio structure. The research is of great significance to promote the study of the core parts of high-speed cutting machine.

动静压轴承运行精度的在线调控是保证高速精密主轴全转速范围内最佳工作性能的核心技术，针对现有动静压轴承在线调控技术可控性差、响应迟滞和鲁棒性差等问题，提出一种基于负泊松比结构的动静压轴承自适应调节方法。建立考虑流固耦合、温度场和紊流的动静压轴承综合模型，以运行精度为目标，研究全转速范围内供油压力的变化规律，提出不同转速下最佳供油压力的求解方法。建立负泊松比结构热力学耦合模型，研究其性能形成机理和可控设计方法，实现负泊松比结构进油装置的可控设计。建立进油装置-动静压轴承-主轴分析模型，研究不同转速下进油装置对运行精度的调节机理，提出满足全转速范围内最佳供油压力要求的进油装置优化设计方法。研究动静压轴承进油口处压力、温度测试技术和主轴轴心位置测试技术，实验验证项目理论成果和基于负泊松比结构的动静压轴承自适应调节方法的有效性。项目工作对促进高速切削机床核心部件的研究具有重要意义。

动静压轴承的运行精度是高速精密主轴工作性能的核心，针对动静压轴承运行精度可控性差等问题，提出一种基于负泊松比结构的动静压轴承自适应调节方法。本项目根据研究需要和已有实验条件中的轴承结构，对研究对象进行了结构设计，确认了轴承结构为具有四个深浅腔的动静压轴承，建立了考虑热及紊流效应的动静压轴承理论模型，通过有限元方法对模型进行求解，由计算结果可知，较大的半径间隙下润滑介质状态较为平稳，结合已有实验条件，确定轴承的半径间隙为30微米。项目研究了动静压轴承在扰动载荷下的动力学响应，根据其响应可知，由于外载荷的不断变化，其轴承状态也呈现时变性的特点，因此要考虑油膜力的非线性。由此建立了主轴-轴承系统的动力学模型，计算获得了主轴和轴承的瞬态响应，在外载荷为恒力或扰动力作用下，其负载力作用点附近的主轴轴心位置与目标位置有一定偏心且呈波动状态。各进油口的压力在轴承运行过程中，也呈现波动态，但在外载荷一定时，各进油口压力随其它工作条件的变化不明显。因此，若要获取某状态下各进油口的最佳供油压力，需要以主轴运行的初始位置为目标，以主轴上外力受力点或附近节点为控制对象，求出一段时间内各进油口压力的变化。项目同时研究了负泊松比结构，以内六角、双箭头等元胞为基础拓扑为2维或3维负泊松比结构，通过有限元分析和实验研究，获得了其所受压力与变形之间的关系。所设计的几种负泊松比结构，其元胞是以杆为基本单元，杆的尺寸影响结构孔隙率。由于条件限制，研究了0.6mm和0.8mm两种壁厚的负泊松比结构，从结果可知，0.6mm的壁厚更容易产生变形，其负泊松比效果更明显。通过对比内六角和双箭头型结构发现，内六角型结构的可控性高于双箭头型。为了便于研究负泊松比结构的进油装置，通过相似分析设计了节流比测试实验装置，利用有限元方法计算了其流场，实验装置的流场与轴承中的实际流场相似。根据此结果，修改了节流比测试实验装置的方案，将压力测量位置进行了修改。