[发明专利]空气轴承电主轴5自由度耦合刚性转子系统动态设计方法

权利要求书

1.一种空气轴承电主轴5自由度耦合刚性转子系统动态设计方法，其特征在于该方法包括以下步骤：

步骤1：空气轴承电主轴结构配置设计，根据电主轴承受切削力的特征，选择推力轴承、径向轴承与驱动电机的结构组配方式；

步骤2：空气轴承电主轴刚性转子结构的动力学参数化处理，将电主轴的物理与几何参数，处理成电主轴转子-轴承系统动态分析所需参数；

步骤3：空气轴承5自由度静动态特性分析计算，获得径向、轴向轴承的刚度与阻尼参数矩阵；

步骤4：空气轴承电主轴5自由度耦合刚性转子系统动力学特性分析，获得电主轴不平衡响应、切削力激励响应以及稳定性；

步骤5：空气轴承电主轴5自由度耦合刚性转子系统动态设计，确定空气轴承电主轴系统的结构参数。

2.根据权利要求1所述的空气轴承电主轴5自由度耦合刚性转子系统动态设计方法，其特征在于，所述空气轴承5自由度静动态特性分析计算包括：

步骤3a：考虑空气的可压缩性，列出径向空气轴承和轴向空气轴承的瞬态雷诺方程；根据节流器流入流量与轴承流出流量相等的原则，列出径向空气轴承和轴向空气轴承的瞬态流量平衡方程；

步骤3b：考虑轴颈和推力盘的平移、倾斜扰动，列出气膜厚度表达式；在静平衡位置附近采用泰勒一阶展开，将一般工况下的压力表示成稳态压力和各扰动量的一次函数；

步骤3c：将含有扰动量的压力和膜厚表达式代入瞬态雷诺方程，获得径向空气轴承的1个稳态雷诺方程和8个扰动雷诺方程、轴向空气轴承的1个稳态雷诺方程和6个扰动雷诺方程；将含有扰动量的压力和膜厚表达式，代入瞬态流量平衡方程，获得径向空气轴承的1个稳态流量方程和8个扰动流量方程、轴向空气轴承的1个稳态流量方程和6个扰动流量方程；

步骤3d：联立稳态雷诺方程和稳态流量平衡方程，设置边界条件，运用有限差分法和牛顿迭代法离散并求解，得到空气轴承的稳态承载力矩；联立瞬态雷诺方程和瞬态流量平衡方程，设置边界条件，运用有限差分法和牛顿迭代法离散并求解，得到空气轴承的动态刚度和阻尼；进而开展主轴转速、转子偏心率以及倾角对空气轴承静、动态特性的影响分析。

3.根据权利要求1所述的空气轴承电主轴5自由度耦合刚性转子系统动态设计方法，其特征在于，所述执行空气轴承电主轴5自由度耦合刚性转子系统动力学特性分析包括：

步骤4a：基于刚体动力学理论，建立电主轴刚性转子5自由度动力学模型，列出刚性转子5自由度动力学方程组；

步骤4b：采用欧拉或龙格-库塔法，求解电主轴刚性转子5自由度动力学方程组，进而对主轴不平衡响应、切削力激励响应以及稳定性等动力学特性进行分析。

4.根据权利要求1所述的空气轴承电主轴5自由度耦合刚性转子系统动态设计方法，其特征在于，所述步骤3a：考虑空气的可压缩性，列出径向空气轴承和轴向空气轴承的瞬态雷诺方程；根据节流器流入流量与轴承流出流量相等的原则，列出径向空气轴承和轴向空气轴承的瞬态流量平衡方程具体为：

1)对于径向空气轴承，建立圆柱坐标系，瞬态雷诺方程为：

式中，为无量纲气膜压力，为无量纲气膜厚度，Λ为轴承数，τ为无量纲时间，γ为涡动比；R为轴颈半径，p为气膜压力，p_a为环境压力，h为气膜厚度，c₀为轴承平均半径间隙，ω为轴颈角速度，μ为空气动力粘度；

2)对于轴向空气轴承，建立圆柱坐标系，瞬态雷诺方程为：

式中，r₀为小孔节流器所在圆周半径，ω为止推盘角速度；

3)流量的有限差分网格，瞬态流量平衡方程为：

式中，为单个节流器流入的无量纲流量，为由于轴颈-止推盘转动引起的流入的无量纲流量，为包围节流孔的单元网格边界流出的无量纲流量，ρ_a为空气密度，Q和分别表示有量纲和无量纲流量。