高压、高速多效应影响下气体润滑轴承-转子系统关键技术研究

"高速、高精度、高负荷、高稳定"是大型精密、超精密加工设备一直追求的目标，气体轴承作为重要的支撑方式，其性能直接影响加工设备的向前发展。本项目以静压气体轴承-转子系统为研究对象，通过建立充分考虑可压缩性、粘性项、动压效应、惯性效应及非等温多效应下的气膜整场数学模型，真实体现可控参数（如供气压力、气膜厚度、旋转速度等）对流场特性的影响，揭示气膜流场中的超音速现象及其影响因素；结合气体轴承与高速旋转转子间的耦合作用，建立一体化耦合模型，探讨流固耦合机理，并通过数值模拟仿真方法，揭示可控参数对轴承-转子系统动、静特性的影响规律及对失稳模式的作用机理；提出气膜刚度各向异性与负载敏感神经网络自适应控制相复合的新型气体轴承-转子系统设计与控制思想，研制实验样件并完善现有的实验系统，对理论分析和数值仿真结果进行验证，建立较为完善且符合工程实际应用的气体润滑理论与设计方法。

本项目以静压气体轴承-转子系统为研究对象，提出了纯粘性流模型、过渡流模型和超音速流模型三种气体轴承流动模型；建立了包含供气孔在内的充分考虑惯性项、可压缩性及动压效应的气体润滑整场数学模型，应用斜激波及膨胀波理论揭示了流场特性的变化规律；采用CFD数值仿真分析法对高转速下的轴承流场进行了三维建模计算，分析了旋转速度、节流方式，供气角度、供气孔数目等参数对轴承静态特性，如：压力分布、承载力及主刚度影响；提出了采用转动坐标系与静态网格相结合研究轴承动态特性的计算方法，拓展了轴承-转子系统动特性的深入研究；提出了一种基于CFD计算结果的气体轴承-转子系统的准动态耦合计算方法，充分考虑了动压效应、转子位移等对系统特性的影响；设计研制了垂直分区非均匀压力供气和切向非均匀供气孔径两种新型结构静压气体轴承，通过调节润滑气膜压力分布达到提高系统稳定性的目的；提出了在线二次调压的稳定性控制方法，实现了系统节能和抑制振动的效果；搭建了轴承-转子性能测试平台，提出了一种非接触式动、静态加载方法;研究中对理论分析、数值仿真、实验结果进行了对比分析，验证了理论分析的正确性。