静压气浮轴承工程设计方法研究
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(１.Ｂｅｉｊｉｎｇ Ａｅｒｏｓｐａｃｅ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｆｏｒ Ｍｅｔｒｏｌｏｇｙ ａｎｄ ＭｅａｓｕｒｅｍｅｎｔꎬＢｅｉｊｉｎｇ １０００７６ꎬＣｈｉｎａꎻ ２.Ｒｏｋｅｔ Ｍｉｌｉｔａｒｙ Ｒｅｓｐｒｅｓｅｎｔａｔｉｖｅ ｏｆｆｉｃｅ ｉｎ Ｃａｐｉｔａｌ Ａｅｒｏｓｐａｃｅ Ｍａｃｈｉｎｅｒｙ ＣｏｍｐａｎｙꎬＢwk.baidu.comｉｊｉｎｇ １０００７６ꎬＣｈｉｎａ)
２ 静压气浮轴承承载能力与刚度简化 计算模型建立
静压气浮轴承结构如图 １ 所示ꎬ双排供气ꎬ单排 节流孔数为 ｎ ꎬ轴承半径为 Ｒ ꎬ直径为 Ｄ ꎬ供气孔直 径为 ｄ ꎬ整个轴颈长为 Ｌ ꎬ供气孔与端面之间的距离 为 ｌ ꎬ轴承间隙为 ｈ０ꎬ偏心距为 ｅ ꎬ气膜厚度为 ｈ ꎬ供 气压强为 Ｐ０ꎬ节流孔口压强分布为 Ｐ ꎬ环境压强为 Ｐａ ꎬ温度为 Ｔ ꎮ
Ａｂｓｔｒａｃｔ Ａｅｒｏｓｔａｔｉｃ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｇａｓ ｂｅａｒｉｎｇ ｉｓ ｔｈｅ ｋｅｙ ｃｏｍｐｏｎｅｎｔ ｏｆ ｔｈｅ ｒｏｔａｒｙ ｓｕｐｐｏｒｔ ｓｈａｆｔ ｓｙｓｔｅｍ ｏｆ ｔｈｅ ｉｎｅｒｔｉａｌ ｄｅｖｉｃｅ ｔｅｓｔ ｐｌａｔｆｏｒｍꎬ ｉｔｓ ｂｅａｒｉｎｇ ｃａｐａｃｉｔｙ ａｎｄ ｒｏｔａｔｉｏｎ ａｃｃｕｒａｃｙ ｈａｖｅ ａｎ ｉｍｐｏｒｔａｎｔ ｅｆｆｅｃｔ ｏｎ ｔｈｅ ｔｅｓｔ ａｃｃｕｒａｃｙ ｏｆ ｔｈｅ ｉｎｅｒｔｉａｌ ｄｅｖｉｃｅｓ. Ｉｎ ｏｒｄｅｒ ｔｏ ｉｍｐｒｏｖｅ ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎ ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ ａｎｄ ｓｉｍｐｌｉｆｙ ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎ ｍｅｔｈｏｄꎬ ｕｎｄｅｒ ｔｈｅ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ ｏｆ ｓａｔｉｓｆｙｉｎｇ ｔｈｅ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｏｆ ａｅｒｏｓｔａｔｉｃ ｂｅａｒｉｎｇꎬ ｔｈｅ ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ｄｅｓｉｇｎ ｆｏｒｍｕｌａ ｏｆ ａｅｒｏｓｔａｔｉｃ ｂｅａｒｉｎｇ ｉｓ ｄｅｄｕｃｅｄ. Ｂｉｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｌ ａｅｒｏｓｔａｔｉｃ ｂｅａｒｉｎｇ ｉｓ ｄｅｓｉｇｎｅｄ. Ｔｈｅ ｂｅａｒｉｎｇ ｃａｐａｃｉ￣ ｔｙꎬ ｓｔｉｆｆｎｅｓｓꎬ ａｉｒ ｃｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎ ａｎｄ ｆｒｉｃｔｉｏｎ ｔｏｒｑｕｅ ｏｆ ｔｈｅ ｂｅａｒｉｎｇ ａｒｅ ｃａｌｃｕｌａｔｅｄꎬ ａｎｄ ｔｈｅ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｒｅｓｕｌｔｓ ａｒｅ ｃｏｍｐａｒｅｄ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｆｉｎｉｔｅ ｅｌｅｍｅｎｔ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｒｅｓｕｌｔｓ. Ｔｈｅ ｅｆｆｅｃｔｉｖｅｎｅｓｓ ｏｆ ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎ ｍｅｔｈｏｄ ｉｓ ｖｅｒｉｆｉｅｄ. Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ Ａｅｒｏｓｔａｔｉｃ ｐｒｅｓｓｕｒｅ Ｇａｓ ｂｅａｒｉｎｇ Ｄｅｓｉｇｎ
１ 引 言
静压气浮轴承是惯性器件测试平台回转支撑轴 系的关键部件ꎬ在惯性器件测试过程中ꎬ提供准确的 角度基准ꎬ其承载能力和回转精度对惯性器件测试
的准确性有着重要的影响[１~３] ꎮ 目前ꎬ静压气浮轴承计算复杂ꎬ设计过程较为繁
琐ꎬ国内外学者对静压气浮轴承的承载能力计算、刚度 计算、精度计算等方面做了大量研究工作ꎬ并取得很多 成果[４~７] ꎮ 本文在此基础上ꎬ提出一种简化的工程计算
收稿日期:２０１７－０７－０５ꎬ 修回日期:２０１７－０７－１２ 作者简介:王春喜(１９８０－) ꎬ男ꎬ硕士研究生ꎬ高级工程师ꎬ主要研究方向:光电测试技术ꎮ
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宇航计测技术 ２０１８ 年
方法ꎬ有助于简化设计过程ꎬ提高系统设计效率ꎮ
摘 要 静压气浮轴承是惯性器件测试平台回转支撑轴系的关键部件ꎬ其承载能力和回转精度对惯性器件
测试的准确性有着重要的影响ꎬ目前ꎬ静压气浮轴承设计、计算过程复杂ꎬ为提高设计效率ꎬ简化设计方法ꎬ在满足 静压气浮轴承性能的条件下ꎬ推导了静压气浮轴承工程计算公式ꎬ在此基础上ꎬ设计了一款双向止推空气轴承ꎬ确 定了几何参数ꎬ计算了空气静压径向轴承、空气静压止推轴承的轴承承载力、刚度、耗气量及摩擦力矩ꎬ并与有限元 仿真结果进行了对比分析ꎬ验证了该设计方法的有效性ꎮ
关键词 空气静压 气浮轴承 设计 中图分类号:ＴＨ１３３ 文献标识码:Ａ
Ｓｔｕｄｙ ｏｎ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｄｅｓｉｇｎ Ｍｅｔｈｏｄ ｏｆ Ａｅｒｏｓｔａｔｉｃ Ｐｒｅｓｓｕｒｅ Ｇａｓ Ｂｅａｒｉｎｇ
ＷＡＮＧ Ｃｈｕｎ￣ｘｉ１ ＪＩＡＮＧ Ｙｕｎ￣ｘｉａｎｇ１ ＺＨＡＮＧ Ｌｉｎ￣ｄｏｎｇ２ ＷＵ Ｙｕｅ１ ＷＡＮＧ Ｑｉａｎｇ１ ＦＥＮＧ Ｗｅｉ￣ｌｉ１
２０１８ 年 ４ 月
宇航计测技术
Ａｐｒ.ꎬ２０１８
第 ３８ 卷 第 ２ 期
Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ａｓｔｒｏｎａｕｔｉｃ Ｍｅｔｒｏｌｏｇｙ ａｎｄ Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ
Ｖｏｌ.３８ꎬＮｏ.２
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文章编号:１０００－７２０２(２０１８) ０２－００１１－０６
ＤＯＩ:１０.１２０６０ / ｊ.ｉｓｓｎ.１０００－７２０２.２０１８.０２.０３
静压气浮轴承工程设计方法研究
王春喜１ 姜云翔１ 张凌东２ 吴 跃１ 王 强１ 冯伟利１
(１.北京航天计量测试技术研究所ꎬ北京 １０００７６ꎻ ２.火箭军驻首都航天机械公司军事代表室ꎬ北京 １０００７６)
２ 静压气浮轴承承载能力与刚度简化 计算模型建立
静压气浮轴承结构如图 １ 所示ꎬ双排供气ꎬ单排 节流孔数为 ｎ ꎬ轴承半径为 Ｒ ꎬ直径为 Ｄ ꎬ供气孔直 径为 ｄ ꎬ整个轴颈长为 Ｌ ꎬ供气孔与端面之间的距离 为 ｌ ꎬ轴承间隙为 ｈ０ꎬ偏心距为 ｅ ꎬ气膜厚度为 ｈ ꎬ供 气压强为 Ｐ０ꎬ节流孔口压强分布为 Ｐ ꎬ环境压强为 Ｐａ ꎬ温度为 Ｔ ꎮ
Ａｂｓｔｒａｃｔ Ａｅｒｏｓｔａｔｉｃ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｇａｓ ｂｅａｒｉｎｇ ｉｓ ｔｈｅ ｋｅｙ ｃｏｍｐｏｎｅｎｔ ｏｆ ｔｈｅ ｒｏｔａｒｙ ｓｕｐｐｏｒｔ ｓｈａｆｔ ｓｙｓｔｅｍ ｏｆ ｔｈｅ ｉｎｅｒｔｉａｌ ｄｅｖｉｃｅ ｔｅｓｔ ｐｌａｔｆｏｒｍꎬ ｉｔｓ ｂｅａｒｉｎｇ ｃａｐａｃｉｔｙ ａｎｄ ｒｏｔａｔｉｏｎ ａｃｃｕｒａｃｙ ｈａｖｅ ａｎ ｉｍｐｏｒｔａｎｔ ｅｆｆｅｃｔ ｏｎ ｔｈｅ ｔｅｓｔ ａｃｃｕｒａｃｙ ｏｆ ｔｈｅ ｉｎｅｒｔｉａｌ ｄｅｖｉｃｅｓ. Ｉｎ ｏｒｄｅｒ ｔｏ ｉｍｐｒｏｖｅ ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎ ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ ａｎｄ ｓｉｍｐｌｉｆｙ ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎ ｍｅｔｈｏｄꎬ ｕｎｄｅｒ ｔｈｅ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ ｏｆ ｓａｔｉｓｆｙｉｎｇ ｔｈｅ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｏｆ ａｅｒｏｓｔａｔｉｃ ｂｅａｒｉｎｇꎬ ｔｈｅ ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ｄｅｓｉｇｎ ｆｏｒｍｕｌａ ｏｆ ａｅｒｏｓｔａｔｉｃ ｂｅａｒｉｎｇ ｉｓ ｄｅｄｕｃｅｄ. Ｂｉｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｌ ａｅｒｏｓｔａｔｉｃ ｂｅａｒｉｎｇ ｉｓ ｄｅｓｉｇｎｅｄ. Ｔｈｅ ｂｅａｒｉｎｇ ｃａｐａｃｉ￣ ｔｙꎬ ｓｔｉｆｆｎｅｓｓꎬ ａｉｒ ｃｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎ ａｎｄ ｆｒｉｃｔｉｏｎ ｔｏｒｑｕｅ ｏｆ ｔｈｅ ｂｅａｒｉｎｇ ａｒｅ ｃａｌｃｕｌａｔｅｄꎬ ａｎｄ ｔｈｅ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｒｅｓｕｌｔｓ ａｒｅ ｃｏｍｐａｒｅｄ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｆｉｎｉｔｅ ｅｌｅｍｅｎｔ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｒｅｓｕｌｔｓ. Ｔｈｅ ｅｆｆｅｃｔｉｖｅｎｅｓｓ ｏｆ ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎ ｍｅｔｈｏｄ ｉｓ ｖｅｒｉｆｉｅｄ. Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ Ａｅｒｏｓｔａｔｉｃ ｐｒｅｓｓｕｒｅ Ｇａｓ ｂｅａｒｉｎｇ Ｄｅｓｉｇｎ
１ 引 言
静压气浮轴承是惯性器件测试平台回转支撑轴 系的关键部件ꎬ在惯性器件测试过程中ꎬ提供准确的 角度基准ꎬ其承载能力和回转精度对惯性器件测试
的准确性有着重要的影响[１~３] ꎮ 目前ꎬ静压气浮轴承计算复杂ꎬ设计过程较为繁
琐ꎬ国内外学者对静压气浮轴承的承载能力计算、刚度 计算、精度计算等方面做了大量研究工作ꎬ并取得很多 成果[４~７] ꎮ 本文在此基础上ꎬ提出一种简化的工程计算
收稿日期:２０１７－０７－０５ꎬ 修回日期:２０１７－０７－１２ 作者简介:王春喜(１９８０－) ꎬ男ꎬ硕士研究生ꎬ高级工程师ꎬ主要研究方向:光电测试技术ꎮ
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宇航计测技术 ２０１８ 年
方法ꎬ有助于简化设计过程ꎬ提高系统设计效率ꎮ
摘 要 静压气浮轴承是惯性器件测试平台回转支撑轴系的关键部件ꎬ其承载能力和回转精度对惯性器件
测试的准确性有着重要的影响ꎬ目前ꎬ静压气浮轴承设计、计算过程复杂ꎬ为提高设计效率ꎬ简化设计方法ꎬ在满足 静压气浮轴承性能的条件下ꎬ推导了静压气浮轴承工程计算公式ꎬ在此基础上ꎬ设计了一款双向止推空气轴承ꎬ确 定了几何参数ꎬ计算了空气静压径向轴承、空气静压止推轴承的轴承承载力、刚度、耗气量及摩擦力矩ꎬ并与有限元 仿真结果进行了对比分析ꎬ验证了该设计方法的有效性ꎮ
关键词 空气静压 气浮轴承 设计 中图分类号:ＴＨ１３３ 文献标识码:Ａ
Ｓｔｕｄｙ ｏｎ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｄｅｓｉｇｎ Ｍｅｔｈｏｄ ｏｆ Ａｅｒｏｓｔａｔｉｃ Ｐｒｅｓｓｕｒｅ Ｇａｓ Ｂｅａｒｉｎｇ
ＷＡＮＧ Ｃｈｕｎ￣ｘｉ１ ＪＩＡＮＧ Ｙｕｎ￣ｘｉａｎｇ１ ＺＨＡＮＧ Ｌｉｎ￣ｄｏｎｇ２ ＷＵ Ｙｕｅ１ ＷＡＮＧ Ｑｉａｎｇ１ ＦＥＮＧ Ｗｅｉ￣ｌｉ１
２０１８ 年 ４ 月
宇航计测技术
Ａｐｒ.ꎬ２０１８
第 ３８ 卷 第 ２ 期
Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ａｓｔｒｏｎａｕｔｉｃ Ｍｅｔｒｏｌｏｇｙ ａｎｄ Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ
Ｖｏｌ.３８ꎬＮｏ.２
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文章编号:１０００－７２０２(２０１８) ０２－００１１－０６
ＤＯＩ:１０.１２０６０ / ｊ.ｉｓｓｎ.１０００－７２０２.２０１８.０２.０３
静压气浮轴承工程设计方法研究
王春喜１ 姜云翔１ 张凌东２ 吴 跃１ 王 强１ 冯伟利１
(１.北京航天计量测试技术研究所ꎬ北京 １０００７６ꎻ ２.火箭军驻首都航天机械公司军事代表室ꎬ北京 １０００７６)