均压槽复合节流气体静压导轨及气模刚度分析方法与流程

本发明提供一种气体静压导轨，尤其是涉及一种均压槽复合节流气体静压导轨及气模刚度分析方法。
背景技术：
：传统的导轨是指由滚珠丝杠和旋转电机进行驱动的运动平台，具有平台传动环节多、响应滞后大、存在摩擦等缺点。气浮导轨由空气轴承和直线电机进行驱动，传动结构简单、运动精度高、操作环境洁净、易于维护、使用寿命较长，并且具有无摩擦及无磨损的特性，非常适用于高精度加工，在国防科技、航空航天、半导体光刻设备、精密测量和生物医学等领域具有广泛应用前景。空气静压轴承将外部气源设备产生的高压气体引入轴承内部，通过节流孔进行节流后进入气浮滑块与基座之间的润滑间隙，形成具有一定承载力和刚度的薄膜，起到润滑轴承和支撑外部载荷的作用，之后气体从轴承端部流出。当外载荷一定时，轴承会保持一定的气膜厚度，使轴承自身的承载力与外载荷平衡，从而实现轴承的平稳运动。气体静压轴承在工程应用中经常遇到承载力低、刚度小、稳定性较差的情况，没有充分利用复合节流的功能来提高轴承的性能。技术实现要素：本发明需要解决的问题在于克服现有的技术缺陷，设计一种均压槽复合节流气体静压导轨及气模刚度分析方法。通过在轴承表面设计均压腔和槽结构，改变轴承气膜的压力分布，是提高气体静压轴承承载性能的重要方式之一。在气体静压导轨气浮滑块工作面的节流孔出口处加工均压槽，由于均压槽内气体受到的流动阻力较小，因此均压槽内的气体压力相近，可以有效抑制远离节流孔出口处气体的压力衰减，它可以增大轴承间隙的压力分布，从而提高气浮导轨的承载力和刚度。为解决上述问题，本发明采用如下技术方案：一种均压槽复合节流气体静压导轨，包括气体静压导轨的气浮滑块和基座，其特征在于：所述气浮滑块的工作面与基座的工作面互相平行，气浮滑块的工作面与基座的工作面之间保持一定的距离，这个距离为气膜的厚度；所述气浮滑块上均匀开设有若干个双排节流孔，节流孔的上端与气浮滑块内部的供气管路连通，所述供气管路与外部加压气源连通；在气浮滑块的工作面上开设有若干个彼此联通的均压槽，均压槽的顶端与节流孔连通，均压槽起着二次均压及节流的作用。所述基座的工作面为光滑的平面。所述气膜的厚度为10-40μm。所述节流孔的直径小于1mm。所述节流孔个数可以为8、10或12。所述均压槽的形状可以为直线形、x形、双半圆形。所述均压槽以节流孔为端点，互相连通。所述均压槽深度为0.05-1mm，宽度为0.05-2mm。所述均压槽的截面形状可以为半圆形、矩形、v形、梯形中的一种。一种均压槽复合节流气体静压导轨的气模刚度分析方法，包括如下步骤：在气体静压导轨气浮滑块的工作面上均匀设置有10个直径小于1mm的矩形均压槽节流孔，在节流孔的下端设置有深度为0.05-1mm，宽度为0.05-2mm的双半圆形均压槽，双半圆形均压槽以节流孔为端点互相联通；对气体静压导轨模型的流体部分进行分析，得到气体静压导轨的刚度和承载力：以气膜厚度为15μm为例对现有的模型进行计算；设置模型的入口和出口分别为压力入口和压力出口，其余面为壁面。其中，入口气体压力设置为0.5mpa，出口压力为0mpa，其他参数为默认值，采用k-ε湍流模型进行计算，k-ε湍流模型的标准方程为：其中，ρ为气体密度；k为湍动能；ui为时均速度；μ为气体的粘度；μt为湍动粘度；σk和σε分别是湍动能k的耗散率ε对应的prandtl数；gk是由于平均速度梯度引起的湍动能k的产生项；gb是由于浮力引起的湍动能k的产生项；ε为耗散率；ym代表可压湍流中脉动扩张的贡献；c1ε、c2ε、c3ε为经验常数；sk和sε是用户定义的源项；气膜的压力分布由下式得到：根据流体润滑理论，轴承气膜间隙的流体流动应该与各个节流孔出口处的流体流动平衡，并满足流量平衡方程：qin＝qout(3)以10个节流孔为例，通过节流孔进入气膜间隙的流量qin通过计算方程(4)得到：从气膜边缘流出的气体质量流量为：其中，a是节流孔的横截面积；c0为喷嘴的流量系数；ψ为喷嘴的流速系数；ps为供气压力；k为传热系数；pd为节流孔的出口压力；p为止推面上的压力。b为对应气膜的宽度；l为对应气膜的长度；ρa是外部环境中气体的密度；所以承载力w的计算公式如下：w＝∫spds(7)其中，s为气膜的面积；轴承受到外载荷作用时，气膜的厚度会产生变化，假定气膜厚度的变化量为e，则气膜刚度k的计算公式为：其中，δw为承载力的变化量；δe为气膜厚度的变化量。本发明的有益效果是：由于增加了均压槽结构，节流孔和导轨间隙的节流效应得以增强，流入轴承润滑间隙的高压气体压降明显减小，气膜高压范围增大并且高压气体的分布更加均匀，因此气体静压导轨的承载力提高了97％以上，刚度提高了53％以上，有效地解决了小孔节流气体静压导轨承载能力不足的问题。气膜内气体的压力损失减小，在承载的负载重量一定的条件下，提高了空气的利用率。附图说明图1是均压槽复合节流气体静压导轨的剖视图。图2为无均压槽气体静压导轨的气浮滑块工作面的仰视图。图3为开设有矩形均压槽气体静压导轨的气浮滑块工作面的仰视图。图4为开设有x形均压槽气体静压导轨的气浮滑块工作面的仰视图。图5为开设有双半圆形均压槽气体静压导轨的气浮滑块工作面的仰视图。图6为均压槽的剖视图。图7为无均压槽的气体静压导轨气膜部分的压力分布云图。图8为矩形均压槽气体静压导轨气膜部分的压力分布云图。图9为x形均压槽气体静压导轨气膜部分的压力分布云图。图10为半圆形均压槽气体静压导轨气膜部分的压力分布云图。图中：1为气浮滑块；2为基座；3为均压槽；4为供气管路；5、7、9、12、15为节流孔；6、8、11、14为气浮滑块的工作面；10、13、16为均压槽。具体实施方式：下面结合附图对本发明做更详细地描述：如图1所示，本发明的工作原理是外部的高压气体经过供气管路4进入节流孔5，之后经过均压槽3流入气浮滑块1与基座2之间的气膜间隙，气体在气膜间隙内形成承载力，起到支撑与润滑的作用，之后气体从导轨的两端流出。如图2所示，在气体静压导轨气浮滑块1的工作面6上均匀设置有10个直径小于1mm的节流孔7，此结构为没有设置均压槽的气浮滑块工作面。实施例1如图3所示，在气体静压导轨气浮滑块1的工作面8上均匀设置有10个直径小于1mm的矩形均压槽节流孔9，在节流孔9的下端设置有深度为0.05-1mm，宽度为0.05-2mm的直线形均压槽10，直线形均压槽10以节流孔9为端点互相联通。实施例2如图4所示，在气体静压导轨气浮滑块1的工作面11上均匀设置有10个直径小于1mm的矩形均压槽节流孔12，在节流孔12的下端设置有深度为0.05-1mm，宽度为0.05-2mm的x形均压槽13，x形均压槽13以节流孔12为端点互相联通。实施例3如图5所示，在气体静压导轨气浮滑块1的工作面14上均匀设置有10个直径小于1mm的矩形均压槽节流孔15，在节流孔15的下端设置有深度为0.05-1mm，宽度为0.05-2mm的双半圆形均压槽16，双半圆形均压槽16以节流孔15为端点互相联通。由于节流孔及均压槽的真实尺寸较小，为了能清楚地看到节流孔和均压槽的结构，所以在图1-5中对其进行了放大。运用cfd(计算流体力学)软件workbench的fluent模块对气体静压导轨模型的流体部分进行分析，可以得到气体静压导轨的刚度和承载力。以气膜厚度为15μm为例对现有的模型进行计算。设置模型的入口和出口分别为压力入口和压力出口，其余面为壁面。其中，入口气体压力设置为0.5mpa，出口压力为0mpa，其他参数为默认值，采用k-ε湍流模型进行计算，k-ε湍流模型的标准方程为：其中，ρ为气体密度；k为湍动能；ui为时均速度；μ为气体的粘度；μt为湍动粘度；σk和σε分别是湍动能k的耗散率ε对应的prandtl数；gk是由于平均速度梯度引起的湍动能k的产生项；gb是由于浮力引起的湍动能k的产生项；ε为耗散率；ym代表可压湍流中脉动扩张的贡献；c1ε、c2ε、c3ε为经验常数；sk和sε是用户定义的源项。气膜的压力分布由下式得到：根据流体润滑理论，轴承气膜间隙的流体流动应该与各个节流孔出口处的流体流动平衡，并满足流量平衡方程：qin＝qout(3)以10个节流孔为例，通过节流孔进入气膜间隙的流量qin通过计算方程(4)得到：从气膜边缘流出的气体质量流量为：其中，a是节流孔的横截面积；c0为喷嘴的流量系数；ψ为喷嘴的流速系数；ps为供气压力；k为传热系数；pd为节流孔的出口压力；p为止推面上的压力。b为对应气膜的宽度；l为对应气膜的长度；ρa是外部环境中气体的密度。所以承载力w的计算公式如下：w＝∫spds(7)其中，s为气膜的面积。轴承受到外载荷作用时，气膜的厚度会产生变化，假定气膜厚度的变化量为e，则气膜刚度k的计算公式为：其中，δw为承载力的变化量；δe为气膜厚度的变化量。通过对未设置均压槽气体静压导轨的流场部分进行仿真，得到的流场压力分布云图如图7所示，由图7可知，该结构的流场部分压力下降明显，整个气膜区域的压力损耗较大，高压区所占的面积很小。而运用cfd软件对本发明设置有直线形、x形和半圆形均压槽的气体静压导轨的流场部分进行仿真，得到的流场压力分布如图8，图9，图10所示。通过将图8，图9，图10与图7对比可知，图7中的高压气体只存在于节流孔出口处，对于远离节流孔区域的气体，气压大幅度衰减，而增加了均压槽结构的气膜，节流孔流出的气体在均压槽内进行均压后扩散在轴承间隙内，使得远离节流孔出口处的气体压降减小，提高了气膜的压力分布，气膜的高压区范围明显增大，并且气膜的压力分布更加均匀，提高了轴承的稳定性。如表1所示，通过计算得到了各个结构气体静压导轨的承载力和刚度数据。分析数据得出，设置均压槽后气体静压导轨的承载力和刚度得到了大幅度提高，x形均压槽导轨、双半圆形均压槽导轨和直线形均压槽导轨的承载力分别提高了101％、97％和121％，其中直线形均压槽导轨提高承载力的效果最好；对应的刚度分别提高了53％、58％和84％，其中直线形均压槽导轨的提高刚度的效果最好。因此，设置均压槽结构可以有效提高气体静压轴承的工作性能，其中设置直线形均压槽结构的效果最明显。同时由于流场区域气体压力损失减小，在承载的负载重量一定的条件下，提高了空气的利用率。表1承载力(n)刚度(n/μm)无均压槽导轨78938x形均压槽导轨158858双半圆形均压槽导轨155860直线形均压槽导轨174370本发明所涉及的均压槽和节流孔均可通过cnc数控等精密机械加工来实现。最后应说明的是：显然，上述实施例与附图仅仅是为清楚地说明本发明的具体实施方式，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，还可以在本说明的基础上做出其他不同形式的变化。而由此所产生的变化仍处于本发明的保护范围之中。当前第1页12