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空气静压导轨具有低摩擦,高精度,清洁无污染等优点,被广泛应用于IC制造、三坐标测量机、精密制造等设备中。传统对空气静压导轨的研究主要对空气静压导轨的静态特性(如承载力、静刚度等)进行研究。通过求解气膜流动的N-S方程,得到满足使用要求的结构参数和工作条件。随着精度要求的不断提高,当空气静压导轨气膜间隙降至10μm以下时,基于稳态流动和层流假设的研究方 ·法受到挑战,气浮支撑内部的自激振动成为制约静压导轨进一步发展的关键问题。本文基于冲击射流理论,建立单自由度轴承自激振动模型,求得系统的振动微分方程,利用大涡模拟(LES)方法结合实验研究,对润滑气膜内的流态进行分析。通过对气浮微振动形成机理的深入研究,丰富空气静压导轨设计和分析的理论方法和研究经验。本文主要研究内容如下:(1)基于冲击射流理论,建立空气静压导轨湍流高压区的流动分区模型。根据流场内速度矢量特征和压力分布规律,将进气孔附近高压湍流区域划分为:自由射流区、滞止区、过渡区和出口壁面射流区。明确各区域的流动特性和能量传递特征,给出各区域相应的控制方程。并明确提出引起气膜波动的成因与主旋、次旋和出口涡量之间的关系。(2)借助有限元分析软件,对气膜微振动问题进行数值分析。首先,利用雷诺平均数值模拟(RANS)方法求得气浮支撑流场稳态解,作为保证流场迭代稳定收敛的初始值;然后,利用三维大涡模拟(3DLES)方法分析不同时刻流场的特征,将气旋形成和涡脱的瞬态过程与气膜波动联系到一起,从动态的角度揭示微振动成因;接下来分析气旋的强度、移动速度和稳定位置对气膜微振动的影响;最后得到不同工作参数和结构参数对气膜微振动强度的作用效果和影响规律。(3)搭建空气静压导轨微振动实验测试平台,验证理论分析和数值计算结果的可靠性和有效性,并对实验误差进行了分析。观测不同工作参数和结构参数下轴承内部非线性自激微振动的固有频率、时均振幅,验证气膜内气旋现象与轴承非线性自激振动之间的关系。