高速静压气体轴承节流芯对主轴的稳定性分析

张翰乾，赖燕根，单　杰，丰　坤

（广州市昊志机电股份有限公司，广东广州510000）

高速静压气体轴承节流芯对主轴的稳定性分析

张翰乾，赖燕根，单杰，丰坤

（广州市昊志机电股份有限公司，广东广州510000）

为了解决主轴高速运转时，出现的啸叫、抱死问题，研究了节流芯孔径、节流长度对主轴动态稳定性的影响大小，通过劳斯-霍尔维斯稳定性判据，核算轴承-转子系统的稳定性，试验不同参数节流芯轴承的转速极限，以及在失稳瞬间，主轴振动频谱，试验发现，节流芯孔径对主轴稳定性影响较大。

节流芯；动态稳定性；轴承-转子系统

在气浮钻孔机设计过程中，转子在高速下失稳是一个非常严峻的问题，主轴高速运转时，会出现偏摆突升、振动激增、啸叫，直至主轴抱死。本文主要研究节流孔径、节流长度对主轴稳定性的影响，通过选择合适的节流芯，提高主轴稳定性。

1　稳定性判定依据

稳定性判据使用到“四刚度、四阻尼系数”，这八个系数可通过对扰动线性化的方法求得，本文采用R-H稳定性判据［1］判定系统稳定性，系统的运动方程可写为：

式中，

M为系统质量矩阵；

K为系统刚度矩阵；

C为系统阻尼矩阵。

式（1）的特征值可以通过下式求得：

其中特征值λ通过如下特征方程求得：

将上式展开，可得到一个2n阶的代数方程：

根据上式可写出劳斯霍尔维兹矩阵：

系统稳定的条件是矩阵H的各阶主子式均大于零。

2　理论计算

根据以上分析，本文用Matlab编程求解系统动态特性系数以及分析系统稳定性，以下是本文的部分参数：转子质量0.08 kg，轴芯气浮位外圆14.77 mm，以节流孔径Φ0.16 mm，节流长度0.32 mm，以下是稳定性计算结果：

表1　各转速下的各阶主子式的值

表1显示，在转速达到350 000 rpm以后，主子式的值出现负值，说明系统失稳，主轴极限转速为350 000 rpm.

3　试验验证

3.1试验装置

本试验装置主要包括：供气、供水、驱动系统，试验主轴，测试设备等。

3.2试验结果

本文做了多组轴承的失稳试验，重点考察不同尺寸节流芯对主轴极限转速的影响。

3.2.1节流孔径对极限转速的影响

图1为试验测得的，极限转速随节流孔径的变化曲线，从图中可以看出：

图1　节流孔径对极限转速的影响

（1）理论计算结果与试验结果趋势相同，在小孔区域段吻合度较高；

（2）节流孔径小的轴承，其极限转速较高，考虑为小节流孔轴承对间隙变化更为敏感，在主轴高速下，轴芯偏心时，引起两边压力变化明显，故而极限转速更高。

3.2.2节流长度对极限转速的影响

图2为试验测得的，极限转速随节流长度的变化曲线，从图中可以看出：

图2　节流长度对极限转速的影响

（1）不同节流长度的轴承极限转速不同，但影响相对较小；

（2）对本轴承结构，节流长度选取L=2×d最佳，试验发现节流长度过长或过短均不适合，会导致极限转速降低。

4　结束语

（1）本文采用线性摄动法，求解八个动态特性系数，进而建立系统动力学方程，利用R-H稳定性判据判定系统稳定性。

（2）节流孔径与节流长度是影响主轴极限转速的重要参数，就本轴承结构而言，节流孔径选取0.08（工艺限制），节流长度选取L=2×d最佳。

［2］Czolczynski K，Marynowski K.Stability of symmetrical rotor supported in flexibly mounted，self-acting gas journal bear ings［J］.Wear，1996（199）：190-197.

Stability Analysis of High Speed Aerostatic Bearing Orifice

ZHANG Han-qian，LAIYan-gen，SHAN Jie，FENG Kun
（Guangzhou Haozhi Industrial Co.，Ltd.，Guangzhou 510000，China）

In order to solve the high-speed operation of the spindle and the howling，locking problem of throttle core aperture，throttle length effect on the dynamic stability of spindle size，by Routh hall Weiss stability criterion，calculation of bearing rotor system stability，to experiment with different parameters flow speed limit bearing core，and in buckling moment，spindle vibration spectrum.The results show that，core throttle aperture on the stability of spindle greater impact.

orifice；dynamic stability；gas bearing rotor system

TG502.3

A

1672-545X（2016）05-0058-02

2016-02-25

张翰乾（1988-），男，广东广州人，研究生，工程师，研究方向：气浮电主轴设计。