[发明专利]高稳定度低干扰力矩三轴气浮台优化设计方法

摘要

本发明提供一种高稳定度低干扰力矩三轴气浮台优化设计方法，通过计算三轴气浮台球轴承的承载能力、供气压力、气膜厚度、气膜刚度、节流器等指标进行优化迭代，最终给出气膜刚度最优设计方案。本发明的优化设计方法，设计上降低加工难度，考虑气源波动的因素，能够从设计上就确保系统的高稳定度和低干扰力矩，便于工程实现，该方法也适用于单轴气浮台的优化设计。本设计方法精度高、稳定性好、成本低、便于在各种高精度空间飞行器地面研制中工程应用。

主权项

一种高稳定度低干扰力矩三轴气浮台优化设计方法，其步骤如下：步骤一：先给定供气压力Ps、环境压力Pa；Ps初始值定为0.4～0.7MPa，以保证不产生“气锤”情况下，尽量提高承载能力以及减小球直径；步骤二：给定球体直径D、节流孔直径dc、节流器数目n；步骤三：球轴承气膜厚度为h，初值选择不小于10μm，步骤四：采用垂直投影法计算压力分布P；其中，m·1=πsinθh3ρa6μPaPdPdθ,(θ1≤θ≤θ0)]]>m·2=πsinθh3ρa6μPaPdPdθ,(θ0≤θ≤θ2)]]>m为球轴承质量流量，ρa表示环境压力，μ表示空气粘度，并且μ＝18.33×10‑10N·s/cm2；其中θ0为节流孔对应的张角，θ1为排气孔边缘对应的张角，θ2为轴承座外边缘对应的张角；θ为计算球轴承质量流量时的张角变量，m1为节流孔到排气孔边缘张角对应的球轴承质量流量，m2为节流孔到轴承座外边缘张角对应的球轴承质量流量；同时得，球轴承容积流量ra为气体比重；步骤五：计算压力修正系数Cw、CL；其中扩散压力损失Cw=0.89(dcnπD)0.21·(LnπD)0,42·(PdPs)0.0505(πDdcn)0.379·(πDLn)0.758]]>Pd表示球轴承内压力，L表示球轴承长度；非径向流动压力损失CL=0.315[ch(6.36D2-D14Dc)-1sh(6.36D2-D14dc)+th(6.36D2-D14dc)]D2-D14dc]]>Dc表示节流器分布直径，节流孔直径dc；其中D1为球轴承排气中心孔径，D2为球轴承外径；步骤六：计算承载能力W、轴承气膜刚度J、容积流量Q、轴承摩擦力矩Mf；其中，承载能力W的计算公式为W=πR2[∫θ1θ0Psin2θdθ+∫θ1θ0Psin2θdθ-Pa(sin2θ2-sin2θ1)]]]>如果W偏小，即W小于要求值的1.2倍，通过增大球轴承直径满足承载要求；球轴承气膜刚度容积流量ra为气体比重；球轴承摩擦力矩其中μ＝18.33×10‑10N·s/cm2，ω为球轴承的旋转速度，Ra、Rb分别为将半球体展开后其当量内圆半径和当量外圆半径；r为展开当量圆的半径；步骤七：计算节流器与球轴承容气体积比X，由此查出气膜动态稳定性临界供气压力[PS]，如果[Ps]＞P，则认为气膜动态稳定性合格，不会产生“气锤”自激现象；否则，调整气膜厚度的选值，重新进入步骤四开始优化，必要时从步骤一开始适当修正Ps，修正时将供气压力Ps下调5％，重新进行优化，直到满足要求；其中，X=nVπ(Rb2-Ra2)h]]>如前所述，n为节流器数目，dc表示节流孔直径，Dc表示节流器分布直径，深度记为Zc，Ra、Rb分别为将半球体展开后其当量内圆半径和当量外圆半径，球轴承气膜厚度为h，为节流空间，为球轴承空间；步骤八：上述工作完成后，确定了球轴承的尺寸，然后需要进行有限元分析，确认承载特性满足指标要求；步骤九：考虑到实际工作时气浮台的供气压力会有波动需要进行气源波动校核，计算气源上下波动的最大值：0.01MPa，在承载相同的情况下，计算气膜厚度的波动Δ，Δ应该小于气膜厚度h的三分之一，否则重新进行优化。