高速靜壓氣體軸承節(jié)流芯對主軸的穩(wěn)定性分析

張翰乾，賴燕根，單　杰，豐　坤

（廣州市昊志機(jī)電股份有限公司，廣東廣州510000）

高速靜壓氣體軸承節(jié)流芯對主軸的穩(wěn)定性分析

張翰乾，賴燕根，單杰，豐坤

（廣州市昊志機(jī)電股份有限公司，廣東廣州510000）

為了解決主軸高速運(yùn)轉(zhuǎn)時，出現(xiàn)的嘯叫、抱死問題，研究了節(jié)流芯孔徑、節(jié)流長度對主軸動態(tài)穩(wěn)定性的影響大小，通過勞斯-霍爾維斯穩(wěn)定性判據(jù)，核算軸承-轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的穩(wěn)定性，試驗(yàn)不同參數(shù)節(jié)流芯軸承的轉(zhuǎn)速極限，以及在失穩(wěn)瞬間，主軸振動頻譜，試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，節(jié)流芯孔徑對主軸穩(wěn)定性影響較大。

節(jié)流芯；動態(tài)穩(wěn)定性；軸承-轉(zhuǎn)子系統(tǒng)

在氣浮鉆孔機(jī)設(shè)計(jì)過程中，轉(zhuǎn)子在高速下失穩(wěn)是一個非常嚴(yán)峻的問題，主軸高速運(yùn)轉(zhuǎn)時，會出現(xiàn)偏擺突升、振動激增、嘯叫，直至主軸抱死。本文主要研究節(jié)流孔徑、節(jié)流長度對主軸穩(wěn)定性的影響，通過選擇合適的節(jié)流芯，提高主軸穩(wěn)定性。

1　穩(wěn)定性判定依據(jù)

穩(wěn)定性判據(jù)使用到“四剛度、四阻尼系數(shù)”，這八個系數(shù)可通過對擾動線性化的方法求得，本文采用R-H穩(wěn)定性判據(jù)［1］判定系統(tǒng)穩(wěn)定性，系統(tǒng)的運(yùn)動方程可寫為：

式中，

M為系統(tǒng)質(zhì)量矩陣；

K為系統(tǒng)剛度矩陣；

C為系統(tǒng)阻尼矩陣。

式（1）的特征值可以通過下式求得：

其中特征值λ通過如下特征方程求得：

將上式展開，可得到一個2n階的代數(shù)方程：

根據(jù)上式可寫出勞斯霍爾維茲矩陣：

系統(tǒng)穩(wěn)定的條件是矩陣H的各階主子式均大于零。

2　理論計(jì)算

根據(jù)以上分析，本文用Matlab編程求解系統(tǒng)動態(tài)特性系數(shù)以及分析系統(tǒng)穩(wěn)定性，以下是本文的部分參數(shù)：轉(zhuǎn)子質(zhì)量0.08 kg，軸芯氣浮位外圓14.77 mm，以節(jié)流孔徑Φ0.16 mm，節(jié)流長度0.32 mm，以下是穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果：

表1　各轉(zhuǎn)速下的各階主子式的值

表1顯示，在轉(zhuǎn)速達(dá)到350 000 rpm以后，主子式的值出現(xiàn)負(fù)值，說明系統(tǒng)失穩(wěn)，主軸極限轉(zhuǎn)速為350 000 rpm.

3　試驗(yàn)驗(yàn)證

3.1試驗(yàn)裝置

本試驗(yàn)裝置主要包括：供氣、供水、驅(qū)動系統(tǒng)，試驗(yàn)主軸，測試設(shè)備等。

3.2試驗(yàn)結(jié)果

本文做了多組軸承的失穩(wěn)試驗(yàn)，重點(diǎn)考察不同尺寸節(jié)流芯對主軸極限轉(zhuǎn)速的影響。

3.2.1節(jié)流孔徑對極限轉(zhuǎn)速的影響

圖1為試驗(yàn)測得的，極限轉(zhuǎn)速隨節(jié)流孔徑的變化曲線，從圖中可以看出：

圖1　節(jié)流孔徑對極限轉(zhuǎn)速的影響

（1）理論計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果趨勢相同，在小孔區(qū)域段吻合度較高；

（2）節(jié)流孔徑小的軸承，其極限轉(zhuǎn)速較高，考慮為小節(jié)流孔軸承對間隙變化更為敏感，在主軸高速下，軸芯偏心時，引起兩邊壓力變化明顯，故而極限轉(zhuǎn)速更高。

3.2.2節(jié)流長度對極限轉(zhuǎn)速的影響

圖2為試驗(yàn)測得的，極限轉(zhuǎn)速隨節(jié)流長度的變化曲線，從圖中可以看出：

圖2　節(jié)流長度對極限轉(zhuǎn)速的影響

（1）不同節(jié)流長度的軸承極限轉(zhuǎn)速不同，但影響相對較??；

（2）對本軸承結(jié)構(gòu)，節(jié)流長度選取L=2×d最佳，試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)節(jié)流長度過長或過短均不適合，會導(dǎo)致極限轉(zhuǎn)速降低。

4　結(jié)束語

（1）本文采用線性攝動法，求解八個動態(tài)特性系數(shù)，進(jìn)而建立系統(tǒng)動力學(xué)方程，利用R-H穩(wěn)定性判據(jù)判定系統(tǒng)穩(wěn)定性。

（2）節(jié)流孔徑與節(jié)流長度是影響主軸極限轉(zhuǎn)速的重要參數(shù)，就本軸承結(jié)構(gòu)而言，節(jié)流孔徑選取0.08（工藝限制），節(jié)流長度選取L=2×d最佳。

［2］Czolczynski K，Marynowski K.Stability of symmetrical rotor supported in flexibly mounted，self-acting gas journal bear ings［J］.Wear，1996（199）：190-197.

Stability Analysis of High Speed Aerostatic Bearing Orifice

ZHANG Han-qian，LAIYan-gen，SHAN Jie，F(xiàn)ENG Kun
（Guangzhou Haozhi Industrial Co.，Ltd.，Guangzhou 510000，China）

In order to solve the high-speed operation of the spindle and the howling，locking problem of throttle core aperture，throttle length effect on the dynamic stability of spindle size，by Routh hall Weiss stability criterion，calculation of bearing rotor system stability，to experiment with different parameters flow speed limit bearing core，and in buckling moment，spindle vibration spectrum.The results show that，core throttle aperture on the stability of spindle greater impact.

orifice；dynamic stability；gas bearing rotor system

TG502.3

A

1672-545X（2016）05-0058-02

2016-02-25

張翰乾（1988-），男，廣東廣州人，研究生，工程師，研究方向：氣浮電主軸設(shè)計(jì)。