技术领域
[0001] 本
发明涉及气浮导轨技术领域，具体涉及一种整体式气浮导轨在偏载下的等间隙设计方法。
背景技术
[0002] 用多个气浮垫装配动导轨时，气浮垫用球铰
支撑，这样可以自找准平衡
位置，保持气膜间隙相等，不过需用到滑架，这时动导轨的体积大承载能
力小。而用整体式导轨装配动导轨时，动导轨的体积小承载能力大，而且整体式气浮导轨工作间隙越趋于平行，运行
精度越高。但在实际工作过程中发现，现有的整体式气浮导轨还存在着下述的问题：由于
载荷或
惯性力的作用，整体式气浮导轨在使用过程中必然会产生偏载，若原有导轨间隙为等间隙，则由于偏载必然导致导轨间隙不相等，进而影响运行精度。并且由于气膜厚度很小，很小的偏
角就有可能引起刮蹭，影响
轴承稳定性，减少轴承的使用寿命。以往针对整体式气浮导轨的设计方法都是以等内径节流孔给气膜供气，这样的设计方法必然使导轨在运行过程中产生偏角问题，降低导轨运行精度和稳定性。
发明内容
[0003] 本发明要提供一种整体式气浮导轨在偏载下的等间隙设计方法，以克服
现有技术存在的导轨运行精度低和稳定性差的问题。
[0004] 为克服现有技术存在的问题，本发明所提供的技术方案是：一种整体式气浮导轨在偏载下的等间隙设计方法，其特征在于改变各节流孔内径大小来实现对导轨由于偏载带来的偏角进行调平。
[0005] 上述整体式气浮导轨在偏载下的等间隙设计方法，包括以下步骤：
[0006] 一、以长导轨平面为XY坐标平面计算气浮导轨偏载状态下的各个节流孔出口压力，气膜承载力，以及气膜气体压力对X轴与对Y轴的力矩大小;
[0007] 二、利用雷诺方程以及重积分，计算等间隙状态下气膜承载力和气体对X轴与对Y轴的力矩大小；
[0008] 三、以等间隙状态下气膜承载力和偏载力矩与非等间隙状态下都相等为收敛条件，调整节流孔出口压力，得到满足收敛条件的一组节流孔出口压力值；
[0009] 四、选取原节流孔内径值为调平后节流孔内径初始值，将XY平面按节流孔个数分为多个区域，分别利用气体流量守恒方程进行嵌套耦合，即以满足各区域进出气体流量相等同时满足整个气膜总进出气体流量相等为收敛条件，若计算过程中某个区域进出气体流量不守恒，则以小步长调节节流孔内径值，直到满足收敛条件。
[0010] 上述步骤二中，要求导轨调至等间隙后气膜厚度为调整前受力斜面中心点厚度时，在所述步骤三中，对节流孔出口压力初始值进行调节时，同时增大相应位置气膜厚度变高的节流孔出口压力和减小对应位置气膜厚度变低的节流孔出口压力值，以得到满足力矩收敛条件同时满足厚度要求的一组节流孔出口压力值。
[0011] 上述步骤三中，调节节流孔出口压力使其满足力矩收敛条件，当所得一组数据满足力矩收敛要求而不满足承载力收敛要求时，可根据承载力偏小或偏大，对每个节流孔出口压力值同加或同减来改变承载力，再返回重新调节力矩收敛，以此往复，可到一组节流孔出口压力值，使力矩，承载力都满足收敛。
[0012] 上述增大或减少出口压力值时，针对每个节流孔选用不相等的步长，即把每个节流孔出口压力的步长按各自相应位置气膜厚度变化大小的比例关系进行给定。
[0013] 上述步骤二中，不要求导轨调至等间隙后气膜厚度为偏载状态下受力斜面中心点厚度时，即气膜厚度初始值可高于或低于原倾斜承载面中心点厚度的值，在步骤三中同时调整所有节流孔出口压力值，或只调节部分节流孔位置相应气膜厚度增大幅度较多的节流孔出口压力来满足力矩的收敛条件。
[0014] 上述步骤三中，同时调整所有节流孔出口压力值时，具体方法是先调节节流孔出口压力使其满足力矩收敛条件，所得一组数据不满足承载力收敛要求时，对气膜厚度进行小步长调整，改变承载力，再返回重新调节力矩收敛，以此往复，可得到一组节流孔出口压力值，使力矩，承载力都满足收敛。
[0015] 与现有技术相比，本发明的优点是：利用本发明方法，和导轨垂直方向上产生的运动误差在理论上讲是没有的，即使因加工原因，也仅会产生极小的误差，相对于现有技术而言，本发明运行精度高，稳定性好。
附图说明
[0016] 图1为整体式气浮导轨非等间隙状态一个偏载受力面示意图；
[0017] 图2为经过调整后得到的等间隙气浮导轨受力面示意图。
具体实施方式
[0018] 现有技术中，整体式气浮导轨承受偏载后，将导致导轨间隙不相等，进而影响工作精度。由于气膜厚度很小，很小的偏角就有可能引起刮蹭，影响轴承稳定性。本发明的原理如下：如果能对导轨加一个预偏角，使得工作过程中导轨的偏载产生的偏角与之抵消，从而恢复平行即等间隙状态，就可以提高稳定性以及工作精度。整体式气浮导轨的等间隙设计原理是以整体式气浮导轨的等间隙为目标, 在雷诺方程的控制下,通过
质量守恒原理,找到一组实现目标满足约束的节流孔直径。
[0019] 下面将结合附图和
实施例对本发明进行详细地说明。
[0020] 实施例1：整体式气浮导轨在偏载下的等间隙设计方法，包括下述步骤：
[0021] 步骤一：
[0022] 8节流孔整体式气浮导轨受偏载时会产生如图1所示的一个偏角，可将气浮导轨偏载简化为斜面中心点的合力F，以及两个坐标的偏载力矩Mx,My。图中n1,n2为两个斜面的法线，夹角为，即为本文中要讨论到的偏角。由图可见，外载垂直于斜面，而非竖直向下。故而可将F分解为
水平力和竖直力Fz的合力。而水平力不会在此产生偏载，因而，要抵消偏载使导轨变回水平，可只讨论竖直力Fz。由静力学可知，气膜压力提供的承载力应该等于Fz。而气体压力对X轴，Y轴的总力矩应分别等于Mx，My。利用气体质量守恒原理确定的连续条件，将X,Y平面按8个节流孔位置划分为8个区域，通过将8个区域进出气体流量平衡进行嵌套耦合，可算出偏载时各节流孔出口压力，通过雷诺方程可得到偏载时的压力分布。
积分可得到Fz，Mx，My。
[0023] 步骤二：
[0024] 当要求气浮导轨调至等间隙后气膜厚度为偏载状态下长导轨中心点厚度时，则令等间隙调平后均为此厚度见图2。将此厚度作为常量应用在雷诺方程中，以有偏角时得到的各节流孔出口压力值赋予等间隙调平后相应的节流孔出口压力计算此时的气体压力分布，通过积分计算此时气膜承载力F1与偏载力矩Mx1,My1。
[0025] 步骤三：
[0026] 由于等间隙调平后，除平面中心点厚度没变以外，其余位置气膜厚度都有变化，必将导致压力分布的变化。此时的F1、Mx1、My1,必不与非等间隙状态下的Fz、Mx、My相等。此时，可根据各节流孔位置处气膜厚度的变化大小，分别给予各节流孔不等的步长，同时调整各节流孔出口压力大小。即增大相应位置气膜厚度变高的节流孔出口压力，减小相应位置气膜厚度变低的节流孔出口压力。从而达到两个力矩Mx1、My1,与非等间隙时两个力矩Mx、My相等的收敛条件。
[0027] 根据此时得到的节流孔出口压力计算F1，以F1与Fz相等为收敛条件，将其与Fz进行对比，若F1小于Fz，则以相等的步长同时增加8个节流孔出口压力，来增大F1；若F1大于Fz，则以相等的步长同时减小8个节流孔出口压力，再以增加后的出口压力来计算Mx1、My1，并重新调节节流孔出口压力使Mx1、My1达到收敛条件，以此循环往复，最终经过调整得到一组使Mx1、My1、F1都能满足收敛条件的节流孔出口压力值。
[0028] 步骤四：
[0029] 步骤三得到的8个节流孔出口压力值通过雷诺方程可得到此时的压力分布。选取原节流孔内径值为调平后节流孔内径初始值，将XY平面按节流孔个数分为8个区域，以保证每个区域只有一个节流孔，再以每个区域气体进出气体流量相等为收敛条件，调节各个节流孔内径。即如果区域进入流量大于流出流量，则以小步长减小内径值；若进入流量小于流出流量，则以小步长增加内径值，直到进出气体流量相等为止。这样就得到一组节流孔内径值，能满足气膜厚度等间隙调平后，承载力和偏载力矩与非等间隙状态下相等。
[0030] 实施例2，整体式气浮导轨在偏载下的等间隙设计方法，包括下述步骤：
[0031] 步骤一：
[0032] 8节流孔整体式气浮导轨受偏载时会产生一个偏角，可将气浮导轨偏载简化为斜面中心点的合力F，以及两个坐标的偏载力矩Mx,My。图中n1,n2为两个斜面的法线，夹角为，即为本文中要讨论到的偏角。由图可见，外载垂直于斜面，而非竖直向下。故而可将F分解为水平力和竖直力Fz的合力。而水平力不会在此产生偏载，因而，要抵消偏载使导轨变回水平，可只讨论竖直力Fz。由静力学可知，气膜压力提供的承载力应该等于Fz。而气体压力对X轴，Y轴的总力矩应分别等于Mx，My。利用气体质量守恒原理确定的连续条件，将X,Y平面按8个节流孔位置划分为8个区域，通过将8个区域进出气体流量平衡进行嵌套耦合，可算出偏载时各节流孔出口压力，通过雷诺方程可得到偏载时的压力分布，积分可得到Fz，Mx，My。
[0033] 步骤二：
[0034] 当不要求气浮导轨调至等间隙后，气膜厚度为偏载状态下长导轨中心点厚度时，即气膜厚度初始值可高于或低于原倾斜承载面中心点厚度的值。将此厚度作为常量应用在雷诺方程中，以有偏角时得到的各节流孔出口压力值赋予等间隙调平后相应的节流孔出口压力计算此时的气体压力分布，通过积分计算此时气膜承载力F1与偏载力矩Mx1，My1。
[0035] 步骤三：
[0036] 由于等间隙调平后，除平面中心点厚度没变以外，其余位置气膜厚度都有变化，必将导致压力分布的变化。此时的F1、Mx1、My1,必不与非等间隙状态下的Fz、Mx、My相等。此时，可根据各节流孔位置处气膜厚度的变化大小，分别给予各节流孔不等的步长，同时调整各节流孔出口压力大小。即增大相应位置气膜厚度变高的节流孔出口压力，减小相应位置气膜厚度变低的节流孔出口压力。从而达到两个力矩Mx1、My1,与非等间隙时两个力矩Mx、My相等的收敛条件。
[0037] 根据此时得到的节流孔出口压力计算F1，以F1与Fz相等为收敛条件，将其与Fz进行对比，若F1小于Fz，则以相等的步长同时增加8个节流孔出口压力，来增大F1；若F1大于Fz，则以相等的步长同时减小8个节流孔出口压力，再以增加后的出口压力来计算Mx1、My1，并重新调节节流孔出口压力使Mx1、My1达到收敛条件，以此循环往复，最终经过调整得到一组使Mx1、My1、F1都能满足收敛条件的节流孔出口压力值。
[0038] 步骤四：
[0039] 步骤三得到的8个节流孔出口压力值通过雷诺方程可得到此时的压力分布。选取原节流孔内径值为调平后节流孔内径初始值，将XY平面按节流孔个数分为8个区域，以保证每个区域只有一个节流孔，再以每个区域气体进出气体流量相等为收敛条件，调节各个节流孔内径。即如果区域进入流量大于流出流量，则以小步长减小内径值；若进入流量小于流出流量，则以小步长增加内径值，直到进出气体流量相等为止。这样就得到一组节流孔内径值，能满足气膜厚度等间隙调平后，承载力和偏载力矩与非等间隙状态下相等。
[0040] 实施例3：
[0041] 整体式气浮导轨在偏载下的等间隙设计方法，其特征在于以下步骤：
[0042] 一、以长导轨平面为XY坐标平面计算气浮导轨偏载状态下的各个节流孔出口压力，气膜承载力，以及气膜气体压力对X轴与对Y轴的力矩大小;
[0043] 二、利用雷诺方程以及重积分，计算等间隙状态下气膜承载力和气体对X轴与对Y轴的力矩大小：不要求导轨调至等间隙后气膜厚度为偏载状态下受力斜面中心点厚度时，即气膜厚度初始值可高于或低于原倾斜承载面中心点厚度的值；
[0044] 三、以等间隙状态下气膜承载力和偏载力矩与非等间隙状态下都相等为收敛条件，调整节流孔出口压力，得到满足收敛条件的一组节流孔出口压力值：同时调整所有节流孔出口压力值，来满足力矩的收敛条件，同时调整的具体方法是先调节节流孔出口压力使其满足力矩收敛条件，所得一组数据不满足承载力收敛要求时，对气膜厚度进行小步长调整，改变承载力，再返回重新调节力矩收敛，以此往复，可得到一组节流孔出口压力值，使力矩、承载力都满足收敛；
[0045] 四、选取原节流孔内径值为调平后节流孔内径初始值，将XY平面按节流孔个数分为多个区域，分别利用气体流量守恒方程进行嵌套耦合，即以满足各区域进出气体流量相等同时满足整个气膜总进出气体流量相等为收敛条件，若计算过程中某个区域进出气体流量不守恒，则以小步长调节节流孔内径值，直到满足收敛条件。
[0046] 实施例4：
[0047] 整体式气浮导轨在偏载下的等间隙设计方法，其特征在于以下步骤：
[0048] 一、以长导轨平面为XY坐标平面计算气浮导轨偏载状态下的各个节流孔出口压力，气膜承载力，以及气膜气体压力对X轴与对Y轴的力矩大小;
[0049] 二、利用雷诺方程以及重积分，计算等间隙状态下气膜承载力和气体对X轴与对Y轴的力矩大小：不要求导轨调至等间隙后气膜厚度为偏载状态下受力斜面中心点厚度时，即气膜厚度初始值可高于或低于原倾斜承载面中心点厚度的值；
[0050] 三、以等间隙状态下气膜承载力和偏载力矩与非等间隙状态下都相等为收敛条件，调整节流孔出口压力，得到满足收敛条件的一组节流孔出口压力值：只调节部分节流孔位置相应气膜厚度增大幅度较多的节流孔出口压力来满足力矩的收敛条件,所得一组数据不满足承载力收敛要求时，对气膜厚度进行小步长调整，改变承载力，再返回重新调节力矩收敛，以此往复，可得到一组节流孔出口压力值，使力矩、承载力都满足收敛；
[0051] 四、选取原节流孔内径值为调平后节流孔内径初始值，将XY平面按节流孔个数分为多个区域，分别利用气体流量守恒方程进行嵌套耦合，即以满足各区域进出气体流量相等同时满足整个气膜总进出气体流量相等为收敛条件，若计算过程中某个区域进出气体流量不守恒，则以小步长调节节流孔内径值，直到满足收敛条件。
