高稳定度低干扰力矩三轴气浮台优化设计方法
【专利摘要】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。
【专利说明】高稳定度低干扰力矩三轴气淳台优化设计方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及仿真技术，具体涉及一种高稳定度低干扰力矩三轴气浮台优化设计方 法。
【背景技术】
[0002] 三轴气浮台依靠压缩空气在气浮轴承与轴承座之间形成的气膜，使模拟台体浮 起，从而实现近似无摩擦的相对运动条件，以模拟卫星等空间飞行器在外层空间所受干扰 力矩很小的力学环境。作为空间飞行器运动模拟器，三轴气浮台进行卫星控制系统全物理 仿真实验能够检验系统的性能，对飞行器姿态控制系统验证有着重要作用，是空间飞行器 研制过程中的重要手段和方法。
[0003] 三轴气浮台的设计参数较多，如承载能力、干扰力矩、直径、球深、节流孔数及其排 布等等，其设计过程是一个复杂的优化迭代过程，因此三轴气浮台的精度受上述迭代设计 的影响很大，不好的设计不仅影响指标，甚至直接导致气浮台"浮不起来"而使任务失败。
[0004] 经文献检索，中国发明专利申请号201110449759. 4,名为"一种静压气浮轴承"中 给出了一种静压气浮轴承的设计，目的是解决传统气浮轴承在工作过程中，由于仅受径向 气膜而使轴承容易发生边界固体的直接接触而抱死，致使轴承与主轴受损的问题，但该设 计不适用于气浮球轴承。
[0005] 李延斌等在论文"基于混沌粒子群优化算法的三轴气浮台平台优化设计"（见《机 床与液压》，2008年，第36卷第5期，页码28-31)中将混沌搜索引入到粒子群优化方法中， 并将改进的算法应用在三轴气浮台平台优化设计中，优化设计参数使气浮台的干扰力矩更 小，但不涉及气浮台轴承机械设计问题。向东等在论文"三轴气浮平台常值干扰力矩的分析 与补偿"（见《宇航学报》，2009年，30卷第2期，页码448-452)中提出了通过动力学反演测 量计算干扰力矩的方法，并通过复摆周期公式推导了常值干扰力矩的估算公式，但都是在 已经加工完成的气浮轴承上进行，不涉及气浮轴承的机械设计问题，也就是说不能指导气 浮轴承的设计。
[0006] 本发明给出一种高稳定度、大承载、地干扰力矩的三轴气浮台优化设计方法，可以 应用于多种型号卫星的全物理地面仿真系统的优化设计。
【发明内容】
[0007] 本发明的目的在于提供一种精度高、稳定性好、设计成本低，适用于高精度空间飞 行器姿态控制地面仿真的高稳定度低干扰力矩三轴气浮台优化设计方法
[0008] 本发明的目的是这样实现的：一种高稳定度低干扰力矩三轴气浮台优化设计方 法，步骤如下：
[0009] 步骤一：先给定供气压力Ps、环境压力Pa，根据多年研制经验，供气压力建议选择 不要太大，以避免复杂的供气设备；通常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，为精密加工创造有利条件；
[0010] 步骤二：给定球体直径D、节流孔径d。、节流器数目η;
[0011] 步骤三：球轴承气膜厚度为h，初值选择不小于10μm;
[0012] 步骤四：采用垂直投影法计算压力分布P、轴承质量流量m;
[0013]其中，m = % +W2
【权利要求】
1. 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初始值定为〇· 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、节流孔径d。、节流器数目η; 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、轴承质量流量m; ? · · 其中，m=W1 +W21
P3表示环境压力，μ表示空气粘度，并且μ=18. 33XKTkiN·8/αιι2;其中Qtl为节流 孔对应的张角，Q1为排气孔边缘对应的张角，02为轴承座外边缘对应的张角； 同时得，轴承容积流量2 =f~为气体比重； 步骤五：计算压力修正系数cw、Q; 其中扩散压力损失
Pd表示轴承内压力，L表示轴承长度； 非径向流动压力损失
D。表示节流器分布直径，d。表示节流孔直径；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
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； 轴承气膜刚度J= ^ah 容积流量2 =fra为气体比重； 'a ^TtUCO C^b ? 轴承摩擦力矩Μ/=a' 9 其中μ= 18. 33XKTkiN·8/(：πι2,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； 步骤七：计算节流器与轴承容气体积比X，由此查出气膜动态稳定性临界供气压力 [Ps]，如果[Ps] >P，则可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， 卯丽所还，
η为施器数目，d。为节流直径，D。为节流腔直径,深度记为Z。，Ra为轴承当 量内径，Rb为轴承当量外径，h为气膜厚度，=士;rD%称为节流空间为轴承 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 气源上下波动可能的最大值：〇.OIMPa，在承载相同的情况下，计算气膜厚度的波动Λ，Λ应 该小于气膜厚度h的三分之一，否则重新进行优化。
【文档编号】G06F17/50GK104318024SQ201410583567
【公开日】2015年1月28日 申请日期:2014年10月18日 优先权日:2014年10月18日
【发明者】夏红伟, 王常虹, 马广程, 李莉, 庞志成 申请人:哈尔滨工业大学