分布式双向可倾瓦动静压推力轴承的静动特性研究

针对机床主轴对推力轴承的高刚度与高精度要求,用可倾瓦块代替部分静压油垫,提出了一种由可倾瓦块和静压油腔联合承载的分布式双向可倾瓦动静压推力轴承.首先建立了分布式双向可倾瓦动静压轴承的润滑模型,提出了基于平衡点性能合成的轴承静动特性计算方法.针对案例轴承对节流器的结构参数进行了优化,分析了载荷、转速、单边间隙和预负荷系数等因素对轴承性能的影响规律,包括刚度、偏心距和温升等轴承静动特性.结果 表明:在合理的参数条件下,该新型可倾瓦动静压轴承的刚度和精度优于双向静压推力轴承,而可倾瓦动压油膜与油腔静压油膜之间的解耦特征,也有利于通过可倾瓦支点进行轴承性能调控.     

T型复合结构空气静压支承平台承载性能研究

为了深入研究空气静压轴承在径向和轴向复合工况下的承载性能和规律,设计并研制了一台T型复合结构空气静压支承平台装置。结合T型复合结构空气静压支承平台的三维模型,采用流体润滑理论和有限体积法对空气静压组合轴承与单独径向轴承进行了数值计算,研究了偏心率和供气压力以及转速等参数对空气静压轴承承载力和刚度的影响规律。结果表明：空气静压轴承随着偏心率和供气压力的增大其承载力呈逐渐增大规律;单独径向轴承的承载性能要优于组合轴承的承载性能。     

单可倾瓦动静压轴承的模型及性能调控研究

为了实现精密机床主轴轴承的高刚度及其性能的可调可控,提出了一种单可倾瓦动静压轴承,将普通动静压轴承的一个油腔替换为可倾瓦块,利用可倾瓦的动压及与其油腔的静压共同承载。建立了新型动静压轴承的润滑模型,提出轴承平衡点计算方法,计算了不同工况参数下的轴承性能,包括刚度和最小膜厚。在此基础上,分析了预负荷系数和支点系数对轴承性能的调控规律。通过可倾瓦支点的调控作用,当支点系数0.75、预负荷系数0.5时,轴承的刚度可达到2 700 N/μm,满足机床主轴系统对轴承的高刚度要求。     

涡轮泵流体静压轴承设计及性能特性分析

针对流体静压轴承在液体火箭发动机涡轮泵中的设计和应用,以现有的滚动轴承支承的涡轮泵转子为应用对象,提出流体静压轴承的参数设计思路,采用粒子群优化算法设计得到支承刚度最大化的轴承结构参数组合,并计算分析所设计轴承的性能以及轴承-转子系统的动力学特性。分析表明：优化设计得到流体静压轴承的承载力和支承刚度可以满足要求,但轴承总流量达泵流量的21%,这会显著降低涡轮泵的总体效率;仅将滚动轴承改为流体静压轴承,而不改变其他结构或布局,转子的稳定性不能满足要求;涡轮泵流体静压轴承转子系统设计时应尽量将轴承布置在转子位移较大的位置,以充分发挥其阻尼作用。     

静压孔位置对油膜支承可倾瓦轴承承载性能的影响分析

为了提高汽轮机转子系统中支承轴承的油膜刚度,以三瓦油膜支承可倾瓦轴承为研究对象,研究静压孔相对位置对轴承承载性能的影响规律。建立了油膜支承可倾瓦轴承油膜润滑模型,并运用计算流体动力学方法数值求解三维N-S方程,揭示了不同静压孔相对位置下轴承压力分布、最小膜厚、偏心率、刚度等性能参数的变化规律。分析结果表明：在载荷为890 N的情况下,改变孔的位置可以提高轴承油膜刚度;当静压孔相对位置γ=5°左右时,孔位置接近油膜最大压力分布区,与γ=0°时相比,最小膜厚和偏心率分别减小9.8%和48%,主刚度kyy、kxx接近原结构的1.4倍和1.1倍,此时静压孔位置为相对最优位置区域。依据分析结果开发了新型油膜支承可倾瓦轴承（γ=5°）,通过试验对比分析了普通滑动轴承与新型油膜支承可倾瓦轴承的综合性能,结果表明,高转速时所开发的新型油膜支承可倾瓦轴承具有更好的承载性能与减振性能。研究结果对油膜支承可倾瓦轴承的性能分析具有一定的参考价值,设计轴承静压孔时可根据油膜压力分布规律对其优化以提高轴承性能。     

流体静压多孔质球面轴承静态性能分析

对流体静压多孔质球面轴承进行理论分析,给出了其有限元计算方法,同时利用实验验证理论计算的正确性。结果表明,气体静压实验数值和有限元计算结果吻合良好,实验数值和有限元计算结果之间的误差小于10%,产生误差的原因是有限元数值计算没有考虑到流体的惯性效应、速度滑移、多孔质球窝的变形以及轴承表面粗糙度的影响;气体静压球面轴承的承载能力和静态刚度明显小于液体静压球面轴承,气体静压球面轴承刚度低的主要原因是所用的多孔材料孔隙度较大,即多孔材料的渗透率较大。     

基于有限元气体静压主轴模态分析

为了分析气体静压主轴的动态性能,研究气体静压主轴的设计合理性和高速稳定性,建立了气体静压轴承刚度的模型,应用FLUENT对气体静压轴承进行了流体分析,计算出了气体静压轴承的支撑刚度。在此基础上应用ANSYS Workbench对气体静压主轴进行模态分析,得到了气体静压主轴的各阶固有频率以及其相应振型。分析结果表明了气体静压主轴的共振频率随着轴承刚度的增加而增加,引起气体静压主轴的临界速度远远大于设计的最高速度,说明气体静压主轴设计是合理可靠的。     

流体支点浮瓦轴承初始工作机理分析及单瓦承载浮起特性研究

开展自生静压流体支点浮动可倾瓦轴承的润滑机理及浮起特性研究.首先推导考虑内层静压孔与外层静压腔之间的流量连续方程,提出内外层油膜厚度公式.采用有限元方法求解内层动压润滑与外层流体静压润滑Reynolds方程,分析了流体支点浮动瓦轴承初始工作机理,得出轴瓦浮起需要满足两个要求的重要结论:第一轴瓦外层具有一定的初始间隙,第二应满足一定的静压腔面积比的要求.在理论上分析了一种轴颈为100 mm的流体支点轴承,在轴承初始工作状态下,如果要满足轴瓦浮起条件,其静压腔面积比取值范围应为0.16至0.18之间.在此基础上采用Newton-Rapson法建立单瓦流体支点轴承数值迭代计算模型,分析了在单块流体支点浮动瓦承载形式时轴承静态特性随偏心率变化规律,发现在单瓦承载情况下,底瓦浮起高度与静压孔流量比随着偏心率增大而逐渐减小;在相同偏心率下,静压孔直径增大,浮起高度与静压孔流量都相应随至增大.静压腔压力、瓦块承载力、内层最大油膜压力以及内层摩擦功耗都是随着偏心率的增大而逐渐增大;此外外层摩擦功耗随着偏心率增大而增幅较小,并且在较高偏心率下,逐渐稳定,其中内层摩擦功耗比外层摩擦功耗大得多;当流体支点单瓦承载时,轴承受到静态载荷作用下,瓦块摆动角度是为0°.通过与已有文献的试验数据进行对比分析,验证了本文计算模型的准确性.     

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。     

超临界二氧化碳动静压径向可倾瓦轴承实验台设计与实验研究

针对超临界二氧化碳(S-CO₂)动力机组在启动和停止阶段气体轴承产生非常大的摩擦磨损,以及气体轴承承载力低、刚度低、阻尼小、稳定性较差等问题,设计并改进一种新型动静压S-CO₂润滑径向可倾瓦轴承结构。设计并搭建S-CO₂润滑轴承实验台,针对于实验台转子刚启动和极低转速工况,对新型S-CO₂润滑动静压径向轴承在静压状态下的动态特性进行实验研究,得到轴承的动态刚度和动态阻尼,并分析静压对轴承动态性能的影响。实验结果表明,设计的S-CO₂动静压径向可倾瓦轴承在启停阶段,在轴瓦与轴颈之间产生了足够的静压压力,可将二者完全分隔开,从而能减少启停阶段的摩擦磨损;随着静压压力的增大,轴承X、Y方向上的整体刚度、主阻尼都增大,且2个方向的主刚度系数差别不大,而交叉刚度和交叉阻尼都接近于0。研究结果为进一步揭示S-CO₂润滑径向轴承动压状态特性提供参考。     

表面织构动压滑动轴承油膜力解析模型

提出一种求解表面织构动压轴承油膜力的解析模型。基于Sommerfeld油膜边界,通过分离变量的方法,求解表面织构动压滑动轴承二阶偏微分Reynolds方程,得到表面织构动压滑动轴承油膜压力解析式。以圆形凹坑轴承为例,在油膜区域通过积分求得织构轴承的油膜力,分析织构参数对油膜压力的影响,研究发现,表面织构位于收敛区域(升压区)的轴承,其润滑与承载性能优于表面织构位于发散区域(降压区)的轴承、全织构轴承以及光滑轴承。对比了提出的解析模型与FDM和CFD模型在不同长径比和偏心率下的计算结果,结果表明,提出的解析模型能准确地描述表面织构动压滑动轴承的油膜力,且计算结果同FDM和CFD模型计算结果基本一致,验证了该模型的正确性。     

Development of an experimental rig with hydrostatic bearings for testing the EHD traction force of high-speed lubricants

A test rig for the EHD traction force of lubricants is essential equipment for the study of the non-Newtonian properties of lubricants operating at high pressure. In this paper is described the development of test equipment with hydrostatic bearings, on the basis of analysis of EHD traction and other test rigs. Hydrostatic bearings allow the rig to pick up the signals of the EHD traction force more precisely. Thus, good test results for an aviation lubricant have been obtained.     

可控节流参数对液体静压轴承特性的影响研究

节流器是液体静压主轴的核心元件,其节流特性对液体静压主轴的刚度和回转精度具有直接影响。针对现有节流器在主轴工作时节流特性不可控的不足,提出一款预压预调型可控节流器。在分析可控节流器工作原理和节流特性基础上,根据流体润滑理论,建立基于可控节流器的液体静压轴承承载性能的理论模型,研究可控节流器供油压力、弹簧刚度和控制油腔压力等参数对液体静压轴承承载性能的影响规律,并与固定节流液体静压轴承的承载性能进行对比。研究发现,在其他结构参数及工作参数一定的条件下,可控节流器能够显著地提高液体静压轴承的油膜刚度;在不同偏心率条件下,可控节流液体静压轴承的最佳油膜刚度对应的节流参数不同。在开发的液体静压电主轴试验台上进行了试验研究,通过对油腔压力和油膜刚度的理论计算值与试验测量值的对比,证实了可控节流方案的有效性。     

Non-contact position control via fluid shear force

Non-contact position control of components is beneficial to avoid wear, damage, and nonlinearities associated with friction. Air bearings, in particular, offer non-contact, high stiffness guidance, but no means of controlling the position of the supported component. In this work, we investigate the use of shear force resulting from the air bearing fluid flow as a means of actuation. Shear force actuation is tested in an air bearing slumping system, where a flat, horizontally placed glass substrate is supported on both sides by top and bottom air bearings. We investigate the use of two methods of substrate position sensing: a fiber-optic sensor and a machine vision sensor. We show that the glass substrate position can be successfully controlled by using fluid shear force. The magnitude of the fluid shear force is measured. System identification is performed, and the results are shown to agree with a second-order model.     

Mechatronic Motorized Spindle with Hydrostatic Bearings and a Piezohydraulic Generator of Resonant Axial Microoscillations

A mechatronic motorized spindle with hydrostatic bearings and a contact-free piezohydraulic generator of resonant axial spindle microoscillations is proposed. The boundary problem is solved for a nonsteady Reynolds equation in laminar motion, with no cavitation of the working fluid. On that basis, analytical formulas are derived for the dynamic-pressure distribution of the working fluid and the dynamic axial force created in the gap of the piezohydraulic generator.     

Dynamic modeling of hydrostatic guideway considering compressibility and inertia effect

Hydrostatic guideways are used as an alternative to contact bearings due to high stiffness and high damping in heavy machine tools. To improve the dynamic characteristic of bearing structure, the dynamic modeling of the hydrostatic guidway should be accurately known. This paper presents a “mass-spring-Maxwell” model considering the effects of inertia, squeeze, compressibility and static bearing. To determine the dynamic model coefficients, numerical simulation of different cases between displacement and dynamic force of oil film are performed with fluent code. Simulation results show that hydrostatic guidway can be taken as a linear system when it is subjected to a small oscillation amplitude. Based on a dynamic model and numerical simulation, every dynamic model’s parameters are calculated by the Levenberg-Marquardt algorithm. Identification results show that “mass-spring-damper” model is the most appropriate dynamic model of the hydrostatic guidway. This paper provides a reference and preparation for the analysis of the dynamic model of the similar hydrostatic bearings.     

Characteristics of non-newtonian power law lubricants in step bearings and hydrostatic step seals

The effects of stepped film-thickness on the various characteristics of squeeze films, conical bearings and hydrostatic step seals, using a power law fluid as lubricant have been investigated. It has been shown that the load capacities of squeeze film bearings decrease and those of conical bearings and step seals increase, with the increase in the step height. With a hydrostatic step seal, the load capacity increases as the flow behaviour index of the power law fluid increases.     

Surface roughness effects in porous inclined stepped composite bearings lubricated with micropolar fluid

In this paper, the effect of surface roughness on the performance characteristic of porous inclined stepped composite bearings is studied. A generalised form of surface roughness is mathematically modelled by a stochastic random variable with non‐zero mean, variance and skewness. The generalised average Reynolds‐type equation is derived for the rough porous inclined stepped composite bearings with micropolar fluid. The closed‐form expressions are obtained for the fluid film pressure, load‐carrying capacity and frictional force. The results are presented for three different types of bearing system. The numerical computations of the results show that the negatively skewed surface roughness pattern increases fluid film pressure and load‐carrying capacity and decreases the coefficient of friction, whereas adverse effects were found for the positively skewed surface roughness pattern. Further, the rough porous inclined stepped composite bearing provides the largest load‐carrying capacity and the least coefficient of friction as compared with the porous plane slider and porous composite tapered concave bearings. Copyright © 2012 John Wiley & Sons, Ltd.     

高速重载静压推力轴承润滑性能研究

以某高速重载数控5m立车的环形腔静压推力轴承为对象,对其润滑性能进行了研究,推导出静压承载力与油膜厚度的关系式。依据计算流体力学（CFD）理论,采用ANSYS ICEM CFD和ANSYS CFX软件对环形腔静压推力轴承内部流体压力场、温度场和速度场进行了仿真计算,通过改变油膜厚度实现对工作台承载变化的研究,得到了不同油膜厚度时压力场、温度场和速度场的变化规律,实现了高速重载静压推力轴承润滑性能预测。     

非球面超精密机床静压轴承温度场的分布

利用ANSYS CFX流体力学分析软件建立了不同油膜厚度下的液体静压轴承流体模型,研究了非球面超精密加工机床液体静压推力轴承的温度场分布。对静压推力轴承进行了试验研究,获得了工作台上不加负载、加300kg负载、加500kg负载3种情况下主轴性能各参数。仿真结果表明:油腔区域初始温度为20℃,从封油边开始温度逐渐升高,其中外侧的温度要比内侧温度稍高;当油膜厚度为33μm时,最高温度为20.29℃,当油膜厚度为23μm时,最高温度为21.72℃,油膜厚度越薄,温度越高。试验计算值与仿真值分别相差3.33%、8.33%、1.32%,证实了液体静压推力轴承设计和数值计算的正确性。