武 靜,錢俊兵,袁銳波*

(1.昆明理工大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院,云南 昆明 650500;2.昆明理工大學(xué) 民航與航空學(xué)院,云南 昆明 650500)

0 引 言

因具有低摩擦、低功耗、高精密、無(wú)污染等優(yōu)點(diǎn),氣浮軸承被廣泛應(yīng)用于半導(dǎo)體、超精密測(cè)試設(shè)備和高精密加工機(jī)床設(shè)備等領(lǐng)域[1-2]。然而隨著設(shè)備精度的要求不斷提高,氣浮軸承的微振動(dòng)制約著其運(yùn)動(dòng)定位精度的進(jìn)一步提升,使制造加工精度無(wú)法更高。

為研究自激振動(dòng)的起因和抑制方法,國(guó)內(nèi)外學(xué)者做了大量研究。KAWAI等[3]認(rèn)為是由于結(jié)構(gòu)中微觀粗糙表面誘發(fā)氣體湍流而引起的自激微振動(dòng);SAWADA等[4]對(duì)氣浮導(dǎo)軌的性能進(jìn)行了分析,發(fā)現(xiàn)了導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)對(duì)振動(dòng)的影響;AL-BENDER等[5]總結(jié)了描述氣浮軸承壓力氣膜的各種方法,提出了主動(dòng)補(bǔ)償措施提高軸承穩(wěn)定性;CHEN等[6]提出了有腔小孔節(jié)流氣浮軸承在節(jié)流孔出口處存在氣旋,并提出了氣旋會(huì)引起氣膜振動(dòng)的觀點(diǎn),對(duì)比了多種氣腔內(nèi)的氣體流動(dòng)特性,提出了球形腔結(jié)構(gòu)能有效抑制氣浮軸承的微振動(dòng)的觀點(diǎn);李運(yùn)堂等[7]運(yùn)用了LES方法分析了小孔節(jié)流氣浮軸承內(nèi)的氣體流動(dòng)特性,研究證實(shí)了氣浮軸承發(fā)生自激振動(dòng)主要是氣旋的產(chǎn)生和破裂;陳琦等[8]提出了在氣浮軸承工作表面增加均壓槽的方法來(lái)抑制軸承的微振動(dòng);杜建軍等[9]以圓周方向有均壓槽的氣浮軸承為研究對(duì)象,分析得到了氣錘振動(dòng)穩(wěn)定的判別方程;龍威等[10-11]分析了軸承內(nèi)部氣膜波動(dòng)形成機(jī)理,發(fā)現(xiàn)了氣膜流場(chǎng)內(nèi)氣旋分布規(guī)律與軸承微振動(dòng)有著密切關(guān)系,并通過(guò)實(shí)驗(yàn)得到了沿氣膜高度方向的振動(dòng)是導(dǎo)致氣浮軸承微振動(dòng)的主要因素的結(jié)論;薛義璇等[12]通過(guò)仿真分析發(fā)現(xiàn)了氣浮軸承氣腔帶倒角的結(jié)構(gòu)能提高軸承的穩(wěn)定性。

綜上所述,雖然對(duì)于氣浮軸承微振動(dòng)特性的研究一直是關(guān)注熱點(diǎn),很多學(xué)者也分析了它的形成機(jī)理,但目前還沒(méi)有關(guān)于均壓腔內(nèi)圓角結(jié)構(gòu)對(duì)氣膜振動(dòng)特性影響的實(shí)驗(yàn)研究。

本文將通過(guò)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案,采集氣浮軸承氣膜的振動(dòng)數(shù)據(jù),分析均壓腔內(nèi)圓角結(jié)構(gòu)對(duì)氣膜振動(dòng)特性的影響,為超精密靜壓氣浮軸承的設(shè)計(jì)提供一定的參考。

1 氣浮軸承實(shí)驗(yàn)

氣浮軸承的工作原理示意圖如圖1所示。

圖1中,高壓空氣經(jīng)進(jìn)氣道進(jìn)入節(jié)流孔小孔節(jié)流后,進(jìn)入均壓腔環(huán)面二次節(jié)流,再進(jìn)入軸承底部與支承平臺(tái)形成的微小間隙(即氣膜間隙)向周邊擴(kuò)散,最后經(jīng)過(guò)軸承邊緣排出大氣。

圖1 氣浮軸承工作原理示意圖

由于氣膜間隙十分微小,間隙內(nèi)的壓力始終大于大氣壓力,氣膜具有一定承載能力。

1.1 實(shí)驗(yàn)原理和裝置

為了實(shí)現(xiàn)對(duì)氣浮軸承微振動(dòng)信號(hào)的測(cè)量,筆者研究其振動(dòng)特性。

具體是將氣浮軸承作為測(cè)試對(duì)象,供氣孔與軸承氣道連通,通過(guò)電感測(cè)微儀實(shí)時(shí)測(cè)量氣膜厚度,加載氣缸壓力改變氣膜厚度,將氣膜間隙控制在10 μm,再通過(guò)LMS動(dòng)態(tài)檢測(cè)儀將加速度傳感器采集到的振動(dòng)型號(hào)傳輸?shù)絇C端。

氣膜微振動(dòng)實(shí)驗(yàn)原理圖如圖2所示。

圖2 氣膜振動(dòng)測(cè)試實(shí)驗(yàn)原理圖1—空壓機(jī);2—?dú)夤?3—過(guò)濾裝置;4—油霧分離器;5—減壓閥;6—壓力表;7—?dú)飧?8—?jiǎng)討B(tài)力傳感器;9—?dú)飧≥S承;10—大理石隔振平臺(tái);11—加速度傳感器;12—電感測(cè)微儀;13—電感微位移顯示器;14—LMS動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)儀;15—計(jì)算機(jī)

在整個(gè)實(shí)驗(yàn)中,由空壓機(jī)提供氣源。其中:

過(guò)濾調(diào)壓閥的型號(hào)為SMC AW30-03D-A,油霧分離器的型號(hào)為SMC AFM30-03D-A；

減壓閥的型號(hào)為SMC IR2020-02,其設(shè)定壓力范圍為0.01 MPa～0.8 MPa；

氣缸的型號(hào)為SC63X,滿足使用壓力范圍(0.1 MPa～1.0 MPa)；

動(dòng)態(tài)力傳感器的型號(hào)為BSHS-1(量程0～150 kg)；

PCB加速度傳感器型號(hào)為352A24 SN LW195334；

LMS動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)儀進(jìn)行振動(dòng)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集和記錄,頻率采集范圍為0～40 MHz,掃描精度±2%。

電感測(cè)微儀為DGC-8ZG/D型微位移傳感器,其分辨率為0.01 μm,顯示誤差在±0.05 μm;電感微位移顯示器的型號(hào)為DGS-6C。

微振動(dòng)測(cè)試裝置實(shí)物圖如圖3所示。

圖3 微振動(dòng)測(cè)試裝置實(shí)物圖

1.2 實(shí)驗(yàn)條件與方法

為了研究均壓腔內(nèi)圓角結(jié)構(gòu)對(duì)軸承振動(dòng)特性的影響,筆者設(shè)計(jì)了不同節(jié)流結(jié)構(gòu)的氣浮軸承。

節(jié)流方案局部圖如表1所示。

表1 節(jié)流結(jié)構(gòu)方案局部圖

表1中,筆者以均壓腔無(wú)圓角連接的小孔節(jié)流氣浮軸承(S-type結(jié)構(gòu))、節(jié)流孔出口(即均壓腔入口)處圓角連接的氣浮軸承(R-type1結(jié)構(gòu))和均壓腔出口圓角連接的氣浮軸承(R-type2結(jié)構(gòu))3種結(jié)構(gòu)的氣浮軸承為實(shí)驗(yàn)對(duì)象。

其中,節(jié)流孔直徑d0=0.15 mm,均壓腔直徑d1=6 mm,軸承直徑d2=60 mm,均壓腔深度D=0.1 mm。

其中,R-type1和R-type2結(jié)構(gòu)中圓角結(jié)構(gòu)為半徑R=0.05 mm的圓弧。

實(shí)驗(yàn)環(huán)境溫度為25 ℃;軸承供氣壓力Ps為0.2 MPa～0.6 MPa。適當(dāng)加載氣缸壓力,使氣膜間隙厚度保持在h=10 μm。

本文對(duì)保持氣膜間隙穩(wěn)定后的S-type結(jié)構(gòu)、R-type1結(jié)構(gòu)和R-type2結(jié)構(gòu)的氣浮軸承進(jìn)行振動(dòng)測(cè)試,使用LMS動(dòng)態(tài)檢測(cè)儀采集其振動(dòng)數(shù)據(jù),經(jīng)過(guò)多次測(cè)量比較,保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

2 數(shù)學(xué)模型

氣浮軸承節(jié)流孔和均壓腔內(nèi)氣體是復(fù)雜的湍流運(yùn)動(dòng),均壓腔內(nèi)的氣旋導(dǎo)致氣膜內(nèi)氣體流速的改變,由于壁面剪切作用與氣體流速的變化,使得節(jié)流孔出口處產(chǎn)生氣旋渦,而在遠(yuǎn)離節(jié)流孔出口處會(huì)產(chǎn)生氣旋渦的破裂或分解。

由氣體靜壓潤(rùn)滑理論可知,氣浮軸承內(nèi)氣體流場(chǎng)的連續(xù)性方程可以用Navier-Stokes(N-S)方程[13]表示,即:

(1)

式中:p—?dú)怏w壓強(qiáng);μ—?dú)怏w動(dòng)力粘度;u—x方向上的速度分;v—y方向上的速度分量;w—z方向上的速度分量;ρ—?dú)怏w密度。

根據(jù)氣體為定常流動(dòng),以及氣膜區(qū)域內(nèi)部沿氣膜厚度方向壓力p與z坐標(biāo)無(wú)關(guān)等條件,可以得到氣體在氣膜間隙內(nèi)流動(dòng)的簡(jiǎn)化氣體的動(dòng)量方程式[14],即:

(2)

當(dāng)模型結(jié)構(gòu)發(fā)生改變時(shí),軸承內(nèi)部的邊界也隨之改變,此時(shí)常用的N-S方程將不能很好地表達(dá)出軸承邊界氣體滑移流動(dòng)特性和內(nèi)部壓力分布特征;根據(jù)廣義Maxwell速度滑移邊界理論,此時(shí)需要添加速度滑移邊界條件[15-16],即為:

(3)

(4)

式中:λ—邊界滑移長(zhǎng)度;h—為氣膜高度;U—軸承氣膜的表面速度。

當(dāng)軸承結(jié)構(gòu)改變時(shí),邊界滑移長(zhǎng)度λ也隨之改變,直接影響速度分量u、v、w的大小。且由式(4)可知,λ對(duì)豎直方向的速度分量w影響最大。

在有腔小孔節(jié)流氣浮軸承中,均壓腔內(nèi)氣旋的變化是引起軸承微振動(dòng)的主要因素,而氣旋的變化是由腔內(nèi)流體的速度變化而引起的,即可以通過(guò)改變邊界條件來(lái)削減軸承的振動(dòng)強(qiáng)度。

所以筆者通過(guò)改變邊界條件,即改變軸承結(jié)構(gòu)的方法來(lái)探究削減軸承微振動(dòng)的措施。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

在靜態(tài)穩(wěn)定工作條件下,為研究S-type、R-type1和R-type2結(jié)構(gòu)的氣浮軸承內(nèi)部氣膜的振動(dòng)特性,筆者設(shè)計(jì)了實(shí)驗(yàn)方案,采集了3種不同結(jié)構(gòu)氣浮軸承的振動(dòng)信號(hào),分析了3種結(jié)構(gòu)在不同供氣壓力的微振動(dòng)幅值及頻域特性的變化規(guī)律,對(duì)比分析了均壓腔內(nèi)圓角結(jié)構(gòu)及圓角位置對(duì)振動(dòng)特性的影響。

由于相比沿氣膜平面豎直方向,沿氣膜平面半徑方向的微振動(dòng)的影響較小,筆者主要研究沿豎直方向的微振動(dòng)幅值及頻域變化。

3.1 時(shí)域分析

通過(guò)實(shí)驗(yàn)可以讀取10 s內(nèi)軸承的振動(dòng)幅值變化的平均值,在供氣壓力0.2 MPa～0.6 MPa時(shí),筆者分別記錄3種結(jié)構(gòu)的氣浮軸承的振動(dòng)幅值,繪制出的不同供氣壓力下的振動(dòng)幅值變化,如圖4所示。

圖4 不同供氣壓力下的振動(dòng)幅值變化曲線

從圖4可以看出:

(1)當(dāng)供氣壓力由0.2 MPa增加至0.6 MPa時(shí),S-type結(jié)構(gòu)的振動(dòng)幅值A(chǔ)從3×10-3g增加至12×10-3g;R-type1結(jié)構(gòu)的振動(dòng)幅值A(chǔ)從3.5×10-3g增加至9×10-3g;R-type2結(jié)構(gòu)的振動(dòng)幅值A(chǔ)從4.0×10-3g增加至9×10-3g;

(2)隨著供氣壓力增大,3種結(jié)構(gòu)的氣浮軸承沿氣膜平面豎直方向的微振動(dòng)幅值也隨之增大,即氣浮軸承的微振動(dòng)強(qiáng)度隨著供氣壓力的增大而增大；

(3)當(dāng)供氣壓力小于0.3 MPa時(shí),S-type結(jié)構(gòu)的微振動(dòng)強(qiáng)度(3×10-3g～4.5×10-3g)小于R-type1結(jié)構(gòu)(3.5×10-3g～4.5×10-3g)和R-type2結(jié)構(gòu)(4×10-3g～6×10-3g)的微振動(dòng)強(qiáng)度;

(4)當(dāng)供氣壓力大于0.3 MPa后,S-type結(jié)構(gòu)的微振動(dòng)強(qiáng)度隨著供氣壓力的增大,大幅增加由4.5×10-3g增加至12×10-3g,R-type1結(jié)構(gòu)和R-type2結(jié)構(gòu)的微振動(dòng)強(qiáng)度分別由4.5×10-3g和6×10-3g增加至9×10-3g。

由此可以明顯看出:R-type1結(jié)構(gòu)和R-type2結(jié)構(gòu)能減緩由于供氣壓力增大而導(dǎo)致軸承微振動(dòng)的增強(qiáng)。

這是由于:

(1)當(dāng)供氣壓力低(Ps≤0.3 MPa)時(shí),氣膜間隙內(nèi)的氣流速度較低,產(chǎn)生的氣旋強(qiáng)度較弱,此時(shí)的振動(dòng)大部分是由氣浮軸承結(jié)構(gòu)和實(shí)驗(yàn)平臺(tái)共振所引起的;

(2)當(dāng)采用較高供氣壓力(Ps≥0.4 MPa)時(shí),軸承氣膜間隙內(nèi)氣流所攜帶的能量也較大,此時(shí)由氣膜內(nèi)氣旋運(yùn)動(dòng)而引起的振動(dòng)也不容忽視,但是R-type1結(jié)構(gòu)和R-type2結(jié)構(gòu)均壓腔內(nèi)存在圓角連接,可以起到過(guò)渡引流的作用,在一定程度緩解了節(jié)流孔出口處或均壓腔出口處由于氣體流動(dòng)橫截面積的擴(kuò)大,而導(dǎo)致氣體急劇變化引起的軸承振動(dòng)。

綜上所述,均壓腔內(nèi)圓角結(jié)構(gòu)的存在能減緩因供氣壓力過(guò)大而引起的軸承微振動(dòng),即在高壓環(huán)境下,均壓腔內(nèi)采用圓角連接結(jié)構(gòu)的氣浮軸承的穩(wěn)定性優(yōu)于沒(méi)有采用圓角連接結(jié)構(gòu)的軸承。

3.2 頻域分析

實(shí)驗(yàn)完成后,提取軸承振動(dòng)的頻域信號(hào)。

在不同供氣壓力下,筆者研究的3種結(jié)構(gòu)的氣浮軸承的頻域信號(hào)如圖5所示。

圖5 不同供氣壓力下的頻域信號(hào)

其峰值頻率如表2所示。

表2 3種結(jié)構(gòu)峰的值頻率對(duì)比表

從圖5和表2可以看出:在相同氣膜厚度(h=10 μm)時(shí),同一結(jié)構(gòu)的氣浮軸承的微振動(dòng)有著相似的頻率特征,隨著供氣壓力的增大,微振動(dòng)強(qiáng)度也在增大,但產(chǎn)生峰值的幾個(gè)頻率點(diǎn)基本是重合的。

對(duì)于不同結(jié)構(gòu)的氣浮軸承,雖然產(chǎn)生的峰值的頻率點(diǎn)不一致,但產(chǎn)生最大峰值的主頻段基本都在4 kHz附近,具體情況為:

(1)對(duì)于S-type結(jié)構(gòu),峰值頻率主要集中在0.98 kHz、3.8 kHz、5.3 kHz、19.8 kHz等一系列頻段內(nèi),振動(dòng)幅值最大處即主頻段在3.8 kHz頻段處;

(2)對(duì)于R-type1結(jié)構(gòu),峰值頻率主要集中在0.63 kHz、2.0 kHz、4.1 kHz、19.3 kHz等一系列頻段內(nèi),主頻段在4.1 kHz頻段處;

(3)對(duì)于R-type2結(jié)構(gòu),峰值頻率主要集中在0.75 kHz、1.8 kHz、3.5 kHz、19.9 kHz等一系列頻段內(nèi),主頻段在3.5 kHz頻段處。

雖然對(duì)于R-type1結(jié)構(gòu)和R-type2結(jié)構(gòu),在20 kHz頻段內(nèi)振動(dòng)幅值有一定增長(zhǎng),但其增長(zhǎng)幅值較小,也不易產(chǎn)生共振。

上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:隨著供氣壓力的增大,會(huì)使軸承內(nèi)部的微振動(dòng)強(qiáng)度增強(qiáng),而均壓腔內(nèi)圓角連接的結(jié)構(gòu)能減緩氣流與軸承壁面的沖擊,雖會(huì)使高頻段的振幅有些許增大,但抑制了主頻段內(nèi)的幅值增長(zhǎng),從而降低了氣膜內(nèi)的振動(dòng)強(qiáng)度。

4 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)搭建相關(guān)實(shí)驗(yàn)平臺(tái),筆者采集了傳統(tǒng)有腔小孔節(jié)流氣浮軸承(S-type結(jié)構(gòu))和均壓腔內(nèi)圓角連接結(jié)構(gòu)的氣浮軸承(R-type1結(jié)構(gòu)和R-type2結(jié)構(gòu))的振動(dòng)信號(hào),對(duì)比分析了其時(shí)域信號(hào)和頻域信號(hào),并得到了以下主要結(jié)論:

(1)分別對(duì)比均壓腔內(nèi)無(wú)圓角結(jié)構(gòu)、節(jié)流孔出口圓角連接結(jié)構(gòu)和均壓腔出口圓角連接結(jié)構(gòu)的時(shí)域信號(hào)可知,隨著供氣壓力的增大,三者的振動(dòng)強(qiáng)度都增大,但節(jié)流孔出口圓角連接結(jié)構(gòu)和均壓腔出口圓角連接結(jié)構(gòu)的振幅增長(zhǎng)較小,且當(dāng)供氣壓力超過(guò)某定值時(shí)其振動(dòng)幅值趨于平穩(wěn),即均壓腔內(nèi)圓角連接結(jié)構(gòu)能有效削減因供氣壓力增大而導(dǎo)致的振動(dòng);

(2)對(duì)比均壓腔內(nèi)無(wú)圓角結(jié)構(gòu)、節(jié)流孔出口圓角連接結(jié)構(gòu)和均壓腔出口圓角連接結(jié)構(gòu)的頻域信號(hào)可知,雖然三者結(jié)構(gòu)產(chǎn)生峰值的頻率點(diǎn)不一致但產(chǎn)生最大峰值的主頻段都在4 kHz附近,即均壓腔內(nèi)圓角連接結(jié)構(gòu)對(duì)振動(dòng)的共振頻率影響較小,對(duì)振動(dòng)幅值的影響更大;

(3)對(duì)比節(jié)流孔出口處圓角連接結(jié)構(gòu)和均壓腔出口圓角連接結(jié)構(gòu)可知,當(dāng)供氣壓力超過(guò)0.5 MPa時(shí),兩種結(jié)構(gòu)的振幅基本一致,即當(dāng)高壓工作時(shí)均壓腔內(nèi)圓角位置對(duì)振動(dòng)的影響很弱;當(dāng)供氣壓力低于0.5 MPa時(shí),節(jié)流孔出口處圓角連接結(jié)構(gòu)的振動(dòng)強(qiáng)度較低,即節(jié)流孔出口圓角連接結(jié)構(gòu)削減振動(dòng)的效果更佳。