本发明属于航天器物理仿真领域，主要涉及一种基于系统工程的气体静压轴承工程设计方法。
背景技术
气体静压轴承借助压缩空气在轴承运动副之间形成的压力气膜，从而获得近似无摩擦的非接触相对运动，可用于模拟卫星等航天器在外层空间的极低干扰力矩环境。由气体静压轴承搭建的物理仿真平台，可在地面进行卫星等航天器的在轨系统性能的试验验证，是航天器研制过程中的重要地面设备。
气体静压轴承经过数十年的发展，逐渐形成了一套较为成熟的工程化分析设计方法，并在实践中获得了广泛检验。专利cn201410583567.6提出了一种高稳定度低干扰力矩三轴气浮台优化设计方法。该方法由气体静压轴承的几何参数和工作参数入手，开展轴承的承载能力、刚度、流量和摩擦力矩的分析工作。同时考虑到实际工作时气浮台的供气压力波动，进行了气源的波动影响校核。论文“气体静压轴承的计算机辅助设计”提及了一种气体静压轴承的计算机辅助设计方法。该方法从气体静压轴承的参数出发，对轴承静态特性的分析进行了计算机辅助计算处理，提高了计算效率。论文“圆盘气足的工程计算方法”中提出了一种气体静压轴承的工程计算方法，将气体静压轴承的分析雷诺方程进行了工程简化，便于工程应用。但是在上述方法涉及的设计过程中，气体静压轴承均作为一个单独部件进行考虑和设计分析，并且着重关注对其承载能力、刚度和流量等静态特性的研究。在实际工程应用中，气体静压轴承作为设备中的一个部件，是设备系统中的一个环节。因此，需要从系统工程角度，由设备系统对气体静压轴承的需求和约束出发，据此开展气体静压轴承的相关分析工作，经过性能测试后确认轴承特性是否满足指标要求，从而形成气体静压轴承的系统性设计流程。
技术实现要素：
本发明针对上述问题，提出了一种基于系统工程的气体静压轴承工程设计方法，该方法由设备系统对气体静压轴承的需求出发，开展气体静压轴承设计的设计工作，并引入系统结构，模态特性、稳定性、加工装配及测试对气体静压轴承的约束，通过不断的迭代循环，最终满足设备对气体静压轴承的指标要求，形成一套完备的系统性的气体静压轴承设计方法。该方法可实现气体静压轴承的系统性定制设计理念，获得气体静压轴承设计与工程应用的准确衔接，进而可有效地保证设备的整体性能。
本发明的目的是这样实现的：
一种基于系统工程的气体静压轴承工程设计方法，包括如下步骤：
s1、根据设备的工作特性和功能需求，确定所需的气体静压轴承的承载能力、刚度、稳定性、加工成本和运行成本需求；
根据设备系统运动负载确定气体静压轴承所需的承载能力；
根据设备的系统刚度指标分解、系统带宽指标及误差确定所需要的气体静压轴承的刚度指标；
根据设备结构的整体布局确定气体静压轴承的设计空间；
根据设备工作场所所能提供的最大供气压力和空气质量要求，确定气体静压轴承的工作供气压力和工作气膜厚度；
根据设备的成本预算确定气体静压轴承所采用的可能加工手段；
s2、根据设备工况及应用场合的不同，选择不同的气体静压轴承设计原则，该设计原则如下：
设计最大承载≈要求承载能力*(1+50％)；
设计最大刚度≈要求刚度/90％；
工作过程中无气锤振动；
工作点位于中等或偏大的工作气膜厚度处；
其中，在低速重载场合，选用最大承载设计原则：在高速精密场合，选用最大刚度设计原则：
s3、气体静压轴承的性能估算；
通过气体静压轴承通过性能估算，为气体静压轴承在设计初期提供一个设计约束，然后根据气体静压轴承的空间约束、供气压力通过下式进行轴承结构形式初步确定以及承载能力和刚度的预判：
承载：w＝δ*p*s，其中δ为载荷系数，取0.3；p为供气压力，s为承载面积；
刚度：e＝δw/δh，其中δw为承载能力变化量，δh为气膜厚度变化量；
轴承结构：根据空间约束和系统布局，确定气体静压轴承的结构形式；
若该阶段气体静压轴承的估算承载能力和刚度分别小于要求承载能力和刚度的60％时，则需要修改轴承的结构参数和工作参数，重新进行估算；
s4、气体静压轴承的精确计算；
在气体静压轴承粗略估算的基础上，开展气体静压轴承的精确解析计算和数值计算；其中，气体静压轴承的解析计算方法利用线性气源假设，将气体静压轴承气膜中的气体二维流动化为一维流动，从而使雷诺方程获得简单解析解；气体静压轴承的数值计算方法通过将n-s方程、连续性方程和气体状态方程相结合建立气体润滑理论，采用有限元技术将计算域离散为有限单元、有限差分或有限体积，并构建气体静压轴承的数学模型，借助计算机的数值计算方法对其进行分析，获得气体静压轴承的压力分布情况，以及气体静压轴承承载能力、刚度和流量与气膜厚度的关系；在此基础上校核气体静压轴承的工作点选择是否满足设计原则要求，如不满足，则需修改结构参数和/或工作参数，重新进行分析计算，直至满足要求；
s5、气体静压轴承的稳定性校验；
在气体静压轴承的工程设计过程中，气体静压轴承的均压腔需满足经验公式，即对于平面止推轴承，均压腔容积与气膜容积比值需小于10％，对于轴颈轴承，均压腔容积与气膜容积比值需小于5％；如果不满足上述经验公式，可采用减小供气压力，减小节流孔径、减小气膜厚度和减小均压腔容积等措施抑制，但是上述措施会造成轴承静态特性的显著变化，当其静态特性无法满足要求时，则需要修改轴承设计参数，进行重新分析；
s6、气体静压轴承的设计、加工与装配；
在完成上述理论分析，并满足系统要求和约束后，依据理论分析确定的轴承结构参数进行气体静压轴承的结构设计；在气体静压轴承轴承的结构设计中，需要从系统角度对气体静压轴承及其附属联接结构进行设计，并提出粗糙度、形位公差及尺寸公差要求；在加工制造前，需要根据系统质量和工况要求确定轴承材料；根据轴承结构进行面型精度确定和可行性分析，以及成本核算，并编制加工工艺；在气体静压轴承及其附属联接结构加工制造后，进行气体静压轴承的精密装配；
s7、气体静压轴承性能测试；
搭建气体静压轴承的性能测试试验平台，对气体静压轴承的承载能力、刚度、流量和稳定特性进行测试，将气体静压轴承的测试结果与理论分析结果、设计要求与测试结果进行对比；如不满足设计要求，则需修改气体静压轴承结构参数和/或工作参数，重新进行精确分析计算，直至满足要求，至此，完成气体静压轴承的系统性设计工作。
优选地，在步骤s1中，设备工作场所所能提供的空气的最大颗粒尺寸应小于气体静压轴承工作气膜厚度的三分之一。
优选地，在步骤s6中，气体静压轴承的材质可以选择渗氮不锈钢、硬质阳极化铝合金、氧化铝陶瓷、花岗石、多孔石墨、多孔陶瓷，青铜等材料。
优选地，在步骤s6中，气体静压轴承的加工制造工艺为：下料—热处理—粗加工-热处理—精加工—热处理—表面硬化处理(可选)—超精密加工—检测。
优选地，在步骤s7中，对于在测试阶段发生气锤振动的气体静压轴承，可采取排气控制和引入阻尼孔等措施，在保证其静态特性尽可能不变的情况下采用相应抑制气锤振动。
本发明具有以下有益效果：从系统角度构建了气体静压轴承的设计过程。该方法由系统入手，从需求出发，通过系统的指标分解，功能和结构分析，提出适合该设备的专用气体静压轴承，相比现有的气体静压轴承设计方法，该方法设计的气体静压轴承实现了气体静压轴承的系统性定制设计理念，获得气体静压轴承设计与工程应用的准确衔接，消除了设备与气体静压轴承的设计脱节问题。
附图说明
图1为本发明实施例一种基于系统工程的气体静压轴承工程设计方法的设计流程图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。
下面结合附图对本发明作进一步详细说明：
如图1所示，本发明实施例提供了一种基于系统工程的气体静压轴承工程设计方法，包括如下步骤：
s1、提出气体静压轴承的需求与约束；根据设备的工作特性和功能需求，确定所需的气体静压轴承的承载能力、刚度、稳定性、加工成本和运行成本需求；根据设备系统运动负载确定气体静压轴承所需的承载能力；根据设备的系统刚度指标分解、系统带宽指标及误差确定所需要的气体静压轴承的刚度指标；根据设备结构的整体布局确定气体静压轴承的设计空间；根据设备工作场所所能提供的最大供气压力和空气质量要求，确定气体静压轴承的工作供气压力和工作气膜厚度；根据设备的成本预算确定气体静压轴承所采用的可能加工手段；
s2、选择气体静压轴承的设计原则；根据设备工况及应用场合的不同，选择不同的气体静压轴承设计原则；在低速重载场合，选用最大承载设计原则；在高速精密场合，选用最大刚度设计原则；在着重关注成本和可靠性场合，选择工程设计原则，即：
设计最大承载≈要求承载能力*(1+50％)；
设计最大刚度≈要求刚度/90％；
工作过程中无气锤振动；
工作点位于中等或偏大的工作气膜厚度处；
s3、气体静压轴承的性能估算；通过气体静压轴承通过性能估算，为气体静压轴承在设计初期提供一个设计约束，在此约束下开展后续准确分析和计算工作；根据气体静压轴承的空间约束、供气压力等进行轴承结构形式初步确定以及承载能力和刚度的预判，即：
承载：w＝δ*p*s，其中δ为载荷系数，取0.3；p为供气压力，s为承载面积；
刚度：e＝δw/δh，其中δw为承载能力变化量，δh为气膜厚度变化量；
轴承结构：根据空间约束和系统布局，确定气体静压轴承的结构形式；
若该阶段气体静压轴承的估算承载能力和刚度分别小于要求承载能力和刚度的60％时，需要修改轴承的结构参数和工作参数，重新进行估算；
s4、气体静压轴承的精确计算；在气体静压轴承粗略估算的基础上，开展气体静压轴承的精确解析计算和数值计算；其中气体静压轴承的解析计算方法利用线性气源假设，将气体静压轴承气膜中的气体二维流动化为一维流动，从而使雷诺方程获得简单解析解；气体静压轴承的数值计算方法通过将n-s方程、连续性方程和气体状态方程相结合建立气体润滑理论，采用有限元技术将计算域离散为有限单元、有限差分或有限体积，并构建气体静压轴承的数学模型，借助计算机的数值计算方法对其进行分析，获得气体静压轴承的压力分布情况，以及气体静压轴承承载能力、刚度和流量与气膜厚度的关系；在此基础上校核气体静压轴承的工作点选择是否满足设计原则要求，如不满足，需修改结构参数和/或工作参数，重新进行分析计算，直至满足要求；
s5、气体静压轴承的稳定性校验；气体静压轴承轴承的气锤振动为一系统性问题，与设备整体结构形式、连接方式以及轴承刚度和阻尼特性有关；在气体静压轴承的工程设计过程中，气体静压轴承的均压腔需满足经验公式，即对于平面止推轴承，均压腔容积与气膜容积比值需小于10％，对于轴颈轴承，均压腔容积与气膜容积比值需小于5％；如果不满足上述经验公式，可采用减小供气压力，减小节流孔径、减小气膜厚度和减小均压腔容积等措施抑制，但是上述措施会造成轴承静态特性的显著变化，当其静态特性无法满足要求时，需要修改轴承设计参数，进行重新分析；
s6、气体静压轴承的设计、加工与装配；在完成上述理论分析，并满足系统要求和约束后，依据理论分析确定的轴承结构参数进行气体静压轴承的结构设计；在气体静压轴承轴承的结构设计中，需要从系统角度对气体静压轴承及其附属联接结构进行设计，并提出粗糙度、形位公差及尺寸公差要求；在加工制造前，需要根据系统质量和工况要求确定轴承材料；根据轴承结构进行面型精度确定和可行性分析，以及成本核算，并编制加工工艺；在气体静压轴承及其附属联接结构加工制造后，进行气体静压轴承的精密装配；
s7、气体静压轴承性能测试；搭建气体静压轴承的性能测试试验平台，对气体静压轴承的承载能力、刚度、流量和稳定特性进行测试，将气体静压轴承的测试结果与理论分析结果、设计要求与测试结果进行对比；如果如不满足设计要求，需修改气体静压轴承结构参数和/或工作参数，重新进行精确分析计算，直至满足要求，至此，完成气体静压轴承的系统性设计工作。
在s1中，设备工作场所所能提供的空气质量影响气体静压轴承的工作气膜厚度选择，空气的最大颗粒尺寸应小于气体静压轴承工作气膜厚度的三分之一。在s6中，气体静压轴承可以选择渗氮不锈钢、硬质阳极化铝合金、氧化铝陶瓷、花岗石、多孔石墨、多孔陶瓷，青铜等材料。在s6中，气体静压轴承的加工制造工艺为：下料—热处理—粗加工-热处理—精加工—热处理—表面硬化处理(可选)—超精密加工—检测。在s7中，对于在测试阶段发生气锤振动的气体静压轴承，可采取排气控制和引入阻尼孔等措施，在保证其静态特性尽可能不变的情况下采用相应抑制气锤振动。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。