高速靜壓氣體軸承節流芯對主軸的穩定性分析

張翰乾，賴燕根，單　杰，豐　坤

（廣州市昊志機電股份有限公司，廣東廣州510000）

高速靜壓氣體軸承節流芯對主軸的穩定性分析

張翰乾，賴燕根，單杰，豐坤

（廣州市昊志機電股份有限公司，廣東廣州510000）

為了解決主軸高速運轉時，出現的嘯叫、抱死問題，研究了節流芯孔徑、節流長度對主軸動態穩定性的影響大小，通過勞斯-霍爾維斯穩定性判據，核算軸承-轉子系統的穩定性，試驗不同參數節流芯軸承的轉速極限，以及在失穩瞬間，主軸振動頻譜，試驗發現，節流芯孔徑對主軸穩定性影響較大。

節流芯；動態穩定性；軸承-轉子系統

在氣浮鉆孔機設計過程中，轉子在高速下失穩是一個非常嚴峻的問題，主軸高速運轉時，會出現偏擺突升、振動激增、嘯叫，直至主軸抱死。本文主要研究節流孔徑、節流長度對主軸穩定性的影響，通過選擇合適的節流芯，提高主軸穩定性。

1　穩定性判定依據

穩定性判據使用到“四剛度、四阻尼系數”，這八個系數可通過對擾動線性化的方法求得，本文采用R-H穩定性判據［1］判定系統穩定性，系統的運動方程可寫為：

式中，

M為系統質量矩陣；

K為系統剛度矩陣；

C為系統阻尼矩陣。

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階的代數方程：

根據上式可寫出勞斯霍爾維茲矩陣：

系統穩定的條件是矩陣H的各階主子式均大于零。

2　理論計算

根據以上分析，本文用Matlab編程求解系統動態特性系數以及分析系統穩定性，以下是本文的部分參數：轉子質量0.08 kg，軸芯氣浮位外圓14.77 mm，以節流孔徑Φ0.16 mm，節流長度0.32 mm，以下是穩定性計算結果：

表1　各轉速下的各階主子式的值

表1顯示，在轉速達到350 000 rpm以后，主子式的值出現負值，說明系統失穩，主軸極限轉速為350 000 rpm.

3　試驗驗證

3.1試驗裝置

本試驗裝置主要包括：供氣、供水、驅動系統，試驗主軸，測試設備等。

3.2試驗結果

本文做了多組軸承的失穩試驗，重點考察不同尺寸節流芯對主軸極限轉速的影響。

3.2.1節流孔徑對極限轉速的影響

圖1為試驗測得的，極限轉速隨節流孔徑的變化曲線，從圖中可以看出：

圖1　節流孔徑對極限轉速的影響

（1）理論計算結果與試驗結果趨勢相同，在小孔區域段吻合度較高；

（2）節流孔徑小的軸承，其極限轉速較高，考慮為小節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，故而極限轉速更高。

3.2.2節流長度對極限轉速的影響

圖2為試驗測得的，極限轉速隨節流長度的變化曲線，從圖中可以看出：

圖2　節流長度對極限轉速的影響

（1）不同節流長度的軸承極限轉速不同，但影響相對較小；

（2）對本軸承結構，節流長度選取L=2×d最佳，試驗發現節流長度過長或過短均不適合，會導致極限轉速降低。

4　結束語

（1）本文采用線性攝動法，求解八個動態特性系數，進而建立系統動力學方程，利用R-H穩定性判據判定系統穩定性。

（2）節流孔徑與節流長度是影響主軸極限轉速的重要參數，就本軸承結構而言，節流孔徑選取0.08（工藝限制），節流長度選取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，FENG 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：氣浮電主軸設計。