超精密静压气浮导轨的自激振动机理与设计方法的研究

研究大行程、大承载、超精密静压气浮导轨的性能计算、结构设计、动力学建模与结构参数优化方法：1)根据气体流动的运动方程、连续性方程和状态方程建立静压气浮导轨内气流状态的三维模型，精确计算气体的压力分布并分析产生压力波动的因素，揭示导轨产生宽频微幅自激振动的内在原因并研究减小和抑制自激振动的结构设计方法；2)根据气体的压力分布计算导轨的静动态性能，研究将压力气膜视为与节流器数相同的非线性弹簧阻尼支撑元件，导轨止推板视为刚性构件，利用集总参数法建立导轨的动力学模型；3)综合考虑导轨的承载能力、静动态刚度、角刚度、气膜厚度方向的阻尼特性及气体流量特性，对节流器的分布、气膜厚度和均压腔尺寸等参数进行集成优化设计，研究导轨、节流器一体化制造技术，消除镶嵌式节流器装配误差对导轨性能的影响；4)开发计算、分析导轨性能和优化结构参数的软件，研制大行程、大承载、超精密静压气浮导轨，搭建测试导轨性能的实验平台。

首次采用大涡模拟分析静压气浮轴承微小气膜间隙内气体流动特性，研究轴承设计参数对其性能的影响。大涡模拟的突出特点在于，能够准确计算气膜内气体压力、速度矢量以及气体流量等流场参数的时变特性。研究发现，节流孔出口附近气体流动状态极其复杂多变，存在大量漩涡，漩涡不断生成和破裂导致气体压力快速波动，压力波动的幅值和频率与轴承的结构形式和几何参数密切相关。通过对比简单孔节流和固有孔节流轴承内气体压力波动特性以及国内外现有相关研究的实验结果，证明了漩涡的不断生成和破裂是导致轴承产生振动的直接原因，揭示了静压气浮轴承宽频微幅自激振动的内在机理。. 在不同的节流方式下，随着气膜厚度的增加，流场内气压波动的幅值先增大后减小，在轴承设计时，应避免最大压力波动时的气膜厚度接近最大刚度时的气膜厚度，使轴承具有最佳刚度的同时，振动较小。为抑制轴承的自激振动，设计了具有扰流台和新型节流器的静压气浮轴承结构，优化了轴承的设计参数。.　　研究了多个简单孔或固有孔节流静压气浮轴承内气体的压力分布，固有孔节流气膜内气体压力平稳，轴承振动幅值小，耗气量小，但轴承刚度和承载能力较低。为此，设计了一种扇形沟槽表面节流静压气浮轴承，并分析几何参数对轴承性能的影响。在轴承直径相同时，相对于简单孔和固有孔节流具有更高的承载能力和更大刚度。. 利用简化气体流动模型推导静压气浮轴承性能计算方法，通过与有限元方法相对比，证明计算结果的准确性。该方法可以从理论上解释节流孔直径、数量、分布、气膜厚度、气体特性以及轴承尺寸等参数对轴承性能的影响。. 采用薄膜压力传感器测量轴承内部气体的压力分布，使实验结果更直接、更可靠；采用三探针法和激光准直仪相结合测量气浮导轨运动过程中的直线度和俯仰、滚动及偏转误差；研究了静压气浮轴承振动特性的检测方法。. 研究了静压气浮轴承气膜内气体压力，轴承的承载能力、刚度、角刚度、耗气量以及振动特性等指标的检测方法并研制了相应的实验装置。采用极坐标平台实现气体压力传感器的运动定位，避免了双轴联动的定位误差，有效提高定位精度，增强系统稳定性。实验结果表明，设计的实验装置精度高，运行平稳，达到了预期的要求。