微孔节流器静压气体止推轴承性能分析*

传统固有孔节流静压气体止推轴承研究的理论基础均建立在节流孔直径远大于气膜间隙的前提下,为了探究与气膜间隙同一数量级的微孔节流器静压气体止推轴承的静态性能,建立微孔节流静压气体止推轴承模型,通过CFD软件进行三维仿真,分析不同气膜间隙、孔径、供气压力对轴承静态特性的影响,并与环面节流器静压气体止推轴承进行对比。结果表明:无论是微孔节流器还是环面节流器,在节流孔出口处均有压降出现,但微孔节流器相对于环面节流器在节流孔出口边缘处速度和压力变化较为平缓;随着气膜间隙的增大轴承承载力减小,随着微孔节流器孔径减小轴承刚度增大,相同孔径下供气压力越大轴承承载力和刚度越大。     

均压槽气体静压轴承数值计算与静态性能分析

针对气体静压导轨承载力和刚度较低的问题,在导轨的工作面上设计横截面为矩形的直线形均压槽,分别研究均压槽的尺寸、节流孔的尺寸和个数以及供气压力对轴承静态性能的影响;建立轴承气膜的CFD(Computational Fluid Dynamics)模型,通过仿真计算得到轴承的质量流量,利用差膜计算方法得到轴承的承载力和刚度,分析不同结构参数下轴承承载力、刚度和质量流量的变化规律。分析结果表明:增加均压槽可以有效提高气体静压轴承的承载力和刚度,但轴承的耗气量也会增加;随着轴承偏心率的增大,轴承的承载力逐渐增大,轴承的刚度则先增大后减小,轴承的耗气量逐渐减小;均压槽的深度、节流孔的直径和个数以及供气压力对轴承承载性能的影响较大,而均压槽宽度和节流孔高度的影响则较小。     

螺旋槽小孔节流动静压气体轴承静态特性研究*

以螺旋槽小孔节流动静压气体轴承为研究对象,运用变分法求解雷诺方程,利用Fluent软件对轴承静态特性进行仿真分析,研究供气压力、偏心率、转速以及节流孔直径、螺旋槽宽度和深度对轴承静态特性的影响规律。结果表明:相同偏心率下,随供气压力的升高,轴承静态特性增强;相同供气压力下,偏心率越大,承载能力越高,刚度越小;螺旋槽能够显著提高轴承静态特性,且转速越大,螺旋槽对轴承的动压效应越好;保证其他结构参数不变,轴承静态特性随螺旋槽宽度的增加先增大后减小,螺旋槽深度和节流孔直径越小越有利。     

螺旋槽狭缝节流动静压气体止推轴承静态特性

为优化动静压气体止推轴承的承载特性,设计一种具有螺旋槽和狭缝节流器结构的动静压气体止推轴承,采用Fluent对轴承静态特性进行仿真分析,通过改变主轴转速、供气压力,研究气膜厚度、螺旋槽宽度、狭缝厚度等参数对轴承静态特性的影响。结果表明:相对狭缝节流止推轴承,增加螺旋槽结构可以提升轴承的动压效应增强,从而提升轴承的承载力和刚度;相同条件下,气膜厚度越大,轴承的承载力和刚度越小;主轴转速和供气压力增加,承载力和刚度均提升明显;螺旋槽宽度增加,轴承的承载力和刚度先增大后减小;狭缝厚度增大,轴承的承载力先增大后不变,刚度先增加后减小;狭缝深度提升,轴承的承载力减小,刚度先增大后减小。     

基于匀压和阻尼的空气静压轴承静态特性研究*

针对常规空气静压轴承设计时存在的承载能力、刚度与气动锤之间的矛盾,提出一种基于虚拟均压和被动阻尼设计方法。采用该方法设计一种含环布均压槽和阵列阻尼孔的矩形平面空气静压止推轴承,并研究其静态特性。研究结果表明：与常规空气静压轴承结构相比,设计的空气静压止推轴承在供气压力0.5 MPa下的最高承载力提高了43.4%,最高刚度提高了51.3%;减小阻尼孔数量、减小节流孔径、提高供气压力和增设均压槽可获得最佳刚度特性;增加阻尼孔数量、减小节流孔径、提高供气压力和增设均压槽可获得最佳静态特性和动态稳定特性的综合性能。     

复合节流式静压气体轴承静态特性分析

为进一步提升静压气体轴承的静态性能,以普通孔式节流为基础,配合表面周向和径向槽节流,提出复合节流式静压气体轴承,以充分发挥2种节流方式的优点,使静压气体轴承具有更好的承载能力和刚度。利用Fluent计算轴承内流场参数并分析流场特性,比较复合节流式与普通孔式节流静压气体轴承的承载能力和刚度,并研究孔式参数和表面槽参数对复合节流式静压气体轴承静态特性的影响。结果表明：在一定气膜厚度范围内,复合节流式静压气体轴承对于提升承载力、增强刚度有着显著的效果;复合式节流因为有表面槽二次节流的存在,均压效果更好。增加节流孔数、节流孔直径、节流孔分布圆半径,以及在气膜厚度较小时增加表面槽长、槽宽、槽深,均有利于增加轴承承载力;在气膜厚度较小时,增加节流孔数、减小节流孔直径,以及增加表面槽长和槽宽、降低槽深,均有利于增加轴承刚度。     

双排均布孔止推气体轴承参数正交实验研究

针对有均压腔的双排均布孔静压止推气体轴承刚度不足的弱点,对其结构参数进行正交实验设计,并用Fluent静态仿真进行计算,最后对计算结果进行方差分析,找出对轴承刚度影响显著的因素及规律。结果表明:节流孔直径与均压腔直径是影响轴承刚度的主要因素,均压腔深度、节流孔深度、供气孔直径、供气孔深度是影响轴承刚度的次要因素;随着气膜高度的增加均压腔的直径对轴承刚度的影响逐渐超过节流孔直径对轴承刚度的影响,随着气膜高度的继续增加,均压腔的直径对轴承刚度的影响逐渐减小;气膜的高度越大,轴承在越大的节流孔直径、越大的均压腔深度下获得最佳的刚度;气膜的高度越小,轴承在越小的节流孔直径、越小的均压腔深度下获得最佳的刚度。     

带浅腔的空气静压轴承节流孔出口处流场计算与分析

为了进一步揭示具有浅腔的空气静压轴承节流孔出口处气膜流场的影响因素和规律，建立空气静压轴承节流孔出口处的物理模型，采用Laminar、k-ω以及k-ε3种模型对空气静压轴承节流孔出口处气膜流场区域的NS方程进行数值计算，分析气膜间隙和供气压力对节流孔出口处气膜流场的影响。结果表明：空气静压轴承在节流孔出口处存在压力陡降现象，在气膜浅腔与气膜间隙交界处的陡降更为明显，这对精密运动机构和精密测量设备的精度和稳定产生一定影响；3种计算模型的计算结果有较好的一致性，Laminal模型和k-ω模型数值计算结果更为接近；随着空气静压轴承气膜间隙和供气压力的增大，其节流孔出口处的压力陡降和马赫数剧升幅度也随之增大。     

环形多孔气体静压止推轴承静态性能研究

为提升气体静压止推轴承的静态性能,设计一种新型环形多孔气体静压止推轴承。依据气体润滑原理、采用有限体积法对环形多孔气体静压止推轴承的三维物理模型进行数值模拟,研究节流器上节流孔数量、直径、分布方式和供气压力对气体静压止推轴承静态性能的影响。结果表明：节流孔数量对环形气体静压止推轴承的承载力影响显著,但孔数增加到一定程度后承载力增速放缓;节流孔直径对承载刚度影响较大,随着节流孔直径逐渐减小最佳刚度逐渐增大;节流孔排布方式和供气压力对气体静压止推轴承的静态性能均有明显影响。     

环形节流静压止推气体轴承承载力和刚度分析

为提高大型重载静压气体止推轴承承载力和刚度,应用FLUENT15. 0对直径150 mm的双排孔节流静压气体止推轴承进行模拟,分析供气压力和轴承间隙对止推轴承压力分布以及刚度和承载力的影响,对比分析轴承间隙内的压力变化和流动情况,并通过与文献实验值进行对比,验证了该方法的准确性。结果表明:随着供气压力的增大,轴承上相同位置处的气膜压力增大,刚度和承载力呈线性增加;随着轴承间隙的增加,气体流速出现了从亚音速向超音速的跨越,轴承间隙内气膜压力骤减,轴承的刚度先增大后减小,承载力一直减小,因此,应合理选择轴承间隙,以维持较高的承载力和轴承刚度,且同时避免超音速区域的出现。     

微小孔阵列式空气静压止推轴承性能研究

采用FLUENT软件对不同孔径、不同孔数的微小孔阵列式节流空气静压轴承进行了三维CFD仿真,得到了微小孔阵列式节流空气静压轴承的气膜压力分布和气膜刚度等性能数据。结果表明:当节流器阵列小孔个数和直径不变时,气膜承载力与气膜厚度线性正相关;当气膜厚度不变时,节流器阵列小孔个数或直径增加,气膜承载力和轴承的平均承载力均随之增大,轴承刚度最大点对应的气膜厚度也增大;对比传统单孔节流器和微小孔阵列式节流器轴承的气膜压力分布可知,微小孔阵列式轴承的压力稳定性比传统单孔节流轴承有显著提高。     

小孔节流静压气体轴承承载力分析

以小孔节流静压气体轴承为研究对象,从节流孔内的流动出发,通过工程假设实现气体轴承的建模与分析,并借助MATLAB编程,采用有限差分法、牛顿迭代法实现对气膜流场二维设计计算,得到轴承的压力分布和承载力,并分析讨论对轴承承载力可能产生影响的因素,包括偏心率、轴承间隙、供气孔直径、环境温度、节流孔个数、供气压力。结果表明:不同参数对承载力影响不同,偏心率、轴承间隙及供气压力对承载力影响较大,增大偏心率、增大供气压力、减小轴承间隙、减小节流孔直径及增加节流孔个数,均会使轴承承载力变大;节流孔直径及每圈节流孔个数因为实际工程限制存在较佳值。     

带有圆周方向均压槽的静压气体止推轴承的气锤自激

通过开设均压槽,可以增加静压气体轴承的承载能力和刚度,但是如果气体轴承的均压槽等参数设计不合理,会出现一种振动现象——气锤自激振动,尤其是设计高压重载气体止推轴承时。针对常用的圆盘止推气体轴承,建立轴承活动件的动力学方程,再运用小扰动方法和流量连续性方程得到了气锤自激振动的稳定性判别方程。通过求解稳定性判别方程,发现供气压力越大,自激振动的倾向性越强;气膜间隙在一定范围内容易引起自激振动;节流孔直径越大,自激振动的倾向性越强;当止推轴承的外径和内径的比值比较小时,容易发生气锤自激。通过计算得到了不发生气锤自激振动的轴承设计参数,可用于高压重载气体止推轴承的设计。     

气体静压止推轴承静态性能的数值仿真与实验研究

应用Fluent软件对小孔节流气体静压止推轴承进行了三维流场的模拟计算,分析了节流孔孔径、节流器工作面积、气源供气压力等因素对气体静压轴承性能的影响。结果表明:止推轴承的承载能力随着节流孔直径的增大而增大,在气膜间隙较小时,刚度随着节流孔孔径增大而减小,在气膜间隙较大时,刚度随着节流孔孔径的增大而增大;在保证加工精度的前提下,增大节流器工作面尺寸,以及在保证气源供气连续的前提下,增大气腔供气压力,都可以显著地改善止推轴承的静态性能。在自行研制的实验平台上进行气体静压实验,实验结果与数值模拟计算结果具有较好一致性,证明了将该数值计算方法的可行性。     

多孔集成节流器空气静压轴承承载性能计算与分析

为进一步提升空气静压轴承的承载性能,提出一种具有多孔集成节流器的空气静压轴承。在极坐标系下推导空气静压轴承的控制方程并运用有限差分法进行数值离散,运用超松弛数值迭代方法对空气静压轴承的气膜压力和承载力进行数值求解。结果表明:空气静压轴承气膜内的压力分布随着轴承间隙的增大而减小,空气静压轴承承载力随着轴承间隙的减小逐渐增大;随着多孔集成节流器的节流孔数量的增加其最大承载力逐渐增大,但当节流孔数量增大到一定程度后,最大承载力增加不明显;在节流孔边缘外处会产生气旋现象,气旋和气体流速随着轴承间隙的减小而减小。     

划片机中的新型高刚度动静压气体径向轴承

为了提高精密划片机主轴系统的旋转精度和刚度,设计了一种带有可变节流器与可变均压槽相结合的动静压气体径向轴承,通过气膜压力反馈使弹性薄板产生变形,控制节流器与均压槽参数发生变化,从而提高轴承刚度。详细介绍了该轴承的结构、工作原理与工作过程,并与普通双排八孔动静压空气径向轴承的承载力和刚度特性进行了对比试验分析,结果表明该新型轴承的承载力和刚度均明显高于普通轴承。     

小孔节流器出口圆角对空气静压止推轴承性能的影响

以小孔节流空气静压止推轴承为研究对象,求解出轴承气膜间隙内的压力与速度分布,分析了节流孔出口处圆角值不同对轴承性能的影响。结果表明:当气膜间隙不变时,在一定范围内,节流孔出口圆角半径值越大,轴承承载力越大,流场中最高流速越低;节流孔出口圆角半径值过大,流场中会出现气旋,降低轴承的稳定性。     

结构参数以及工质对静压气体轴承动力学参数的影响

基于MATLAB编程,通过有限差分法(FDM)耦合比例分割法获得压力分布;采用偏导数法(PDM)推导出扰动状态的润滑方程求得静压气体轴承的动力学特性参数;分析静压气体轴承的结构参数(供气孔数量、气膜间隙、节流方式)以及工质(空气和He)对其动力学特性的影响,以及动刚度和动阻尼系数随着各参数的变化规律。结果表明:气膜间隙、单排供气孔数以及工质的种类对直接刚度均有影响,但对阻尼一级交叉刚度系数影响较小;节流方式对直接刚度系数以及直接阻尼系数影响较大,对多交叉刚度系数以及交叉阻尼系数影响较小;固有孔节流的主刚度以及主阻尼系数大于间隙节流。     

机床主轴静压气体止推轴承静态特性随参数变化规律研究

超精密机床主轴一般采用静压气体轴承支承。文章应用大型商业计算流体软件Fluent,并结合MATLAB神经网络拟合工具箱,训练拟合出不同参数与轴承承载力及入流质量流量的映射关系函数,基于此,研究了不同参数对单节流孔圆形静压气体止推轴承静态特性影响的规律。首先,将计算的压力分布与文献中的实验数据进行对比,来验证计算模型与边界的正确性;然后,采用MATLAB神经网络拟合工具箱,训练拟合出轴承半径、节流孔孔径、气膜厚度和外界供气压力与轴承承载力及入流质量流量的映射关系函数;最后,研究了静压气体止推轴承外部供气结构对轴承压力分布的影响;气膜厚度、节流孔直径和供气压力对轴承承载力及入流质量流量的影响。结果表明：外部供气结构对轴承压力没有明显的影响;气膜厚度减少、孔径和外界供气压力的增大会增大轴承的承载力;气膜厚度、孔径和外界供气压力的增大都会增大入流质量流量。     

小孔节流静压支承轴承力学性能的数值建模

为了讨论小孔节流空气静压支承轴承的节流器尺寸,气膜厚度与供气压等轴承参数对轴承力学性能的影响。针对圆柱腔小孔节流静压支承止推轴承,首先进行了轴承间隙流场的数值仿真与分析,其中以小孔尺寸,气腔尺寸,供气压及气膜厚为设计变量,利用正交实验设计的基本原理构造正交表,通过对轴承间隙流场的数值计算进行采样以获取轴承的承载力与刚度;其次在设计变量范围内基于径向基神经网络模型建立承载力与刚度的分析数学模型,在该分析模型中全面考虑了各轴承参数的作用,同时考虑了轴承间隙的流场结构对力学性能的影响,得到的模型经过拟合校验以证明具有足够的精度;最后基于该分析模型讨论了小孔与气腔尺寸对轴承承载力与刚度的影响,为工程设计提供了参考。