动压气体止推轴承间隙气动热特性分析

为掌握不同工作条件下箔片型动压气体轴承气动热特性规律,以箔片型动压气体止推轴承为研究对象,建立其变截面气膜间隙模型,引入粘性耗散项,通过数值仿真计算不同工作条件下气膜间隙的无量纲温度分布,并对轴承转速、进/出口压力、进/出口温度等参数对气膜温比的影响进行数值分析。结果表明,在进/出口压力同比变化工作条件下,气膜温比随进/出口压力增大而下降,随转速的增大而升高,随进/出口温度的升高而降低。     

基于CFD的球面动静压气体轴承稳态性能及动态特性分析

基于CFD建立球面螺旋槽动静压气体轴承气膜的有限元模型,数值计算气膜网格点上的压力分布,模拟气膜瞬态流场中复杂的气体流动,得到气膜的压力分布、承载力以及动态特性系数。结果表明:增加供气压力可以有效地增强静压效应,减小气膜厚度和增加转速有助于增强动压效应,动静压效应耦合可以提高轴承承载性能,偏心率为0.4～0.5,平均气膜厚度为8～12μm,供气压力为0.5～0.6 MPa时,产生的动静压耦合效应明显,从而可增加气膜的承载性能和轴承高速运行的稳定性;轴承刚度系数随着气膜厚度的增大呈先增加后减小的趋势,随着偏心率的增加而增加;轴承阻尼系数随着气膜厚度和偏心率的增加变化较为复杂,但整体上呈增大的趋势,因此,合理地选取气膜厚度和偏心率能够提高轴承承载性能,改善其动态特性,提高球面动静压气体轴承运行稳定性。     

变高度螺旋倾斜槽气体轴承的微尺度数值模拟

基于平面螺旋槽气体止推轴承结构,结合以对数螺旋线为素线的空间螺旋曲面结构,提出一种新型气体止推轴承模型。通过坐标变换推导出适应对数螺旋线轨迹的流量方程,引入一阶滑移和新滑移边界条件修正流量方程,应用数值方法迭代求解了连续型模型和2种滑移模型下新型气体止推轴承的气膜压力分布。结果表明:微尺度下随着气膜厚度减小,边界速度滑移效应会对轴承承载力特性产生很大影响;当Knudsen数增大到过渡区时,一阶滑移和新滑移模型之间的偏差明显增大;在相对较低的转速下,新型轴承的承载力相较于传统轴承明显增大。     

考虑滑移效应的可倾瓦动压气体轴承承载性能分析

以可倾瓦气体轴承为研究对象,考虑滑移效应对可倾瓦动压气体轴承的气膜压力分布和承载力的影响,在1阶滑移和WU新滑移速度边界条件下推导修正雷诺方程的基础上,使用有限差分法求解不同瓦块偏心率、轴承数下的承载力。结果表明：随着偏心率、预载系数、轴承数的增大,轴承承载力增大;滑移边界条件下计算出的可倾瓦动压气体轴承的承载力显著降低;相同条件下,基于WU新滑移边界模型计算所得承载力最小,结果明显低于连续介质模型和1阶滑移模型。     

稀薄效应对径向气体轴承承载性能的影响

基于超薄气膜润滑理论,通过引入微尺度条件下气体稀薄效应流量因子,推导考虑稀薄效应的气体润滑轴承雷诺方程,并采用有限差分法对其进行离散求解,数值分析了不同偏心率、半径间隙以及转速对气膜压力分布、承载力的影响规律,并与未考虑稀薄效应的数值结果进行比较。结果表明:稀薄效应的存在并不会影响压力分布规律,其中气膜压力分布具有非线性,并沿着轴向呈抛物线状;最大压力及承载力随转速和偏心率的增大而增大,随着半径间隙的增大而减小;当考虑气体稀薄效应时,气膜各点压力水平及承载力相比于未考虑时有所下降;当半径间隙越小,偏心率越大时,气体稀薄效应越显著,最大压力及承载力的变化幅度也越明显。     

基于FLUENT的小孔深浅腔动静压气体轴承静特性研究

本文以具有深浅腔的动静压气体轴承为研究对象,建立了该系统的有限元模型,并利用fluent对轴承气膜静特性进行分析研究。基于ICEM CFD对轴承气膜进行网格划分,利用fluent仿真,得到在不同偏心率和转速情况下的气膜压力场分布和静特性参数。结果表明,深浅腔动静压轴承气膜压力峰值出现在浅腔区,且承载能力和姿态角随着偏心率和转速的增加而增加,表明轴承承载中动压效应所起的承载作用在逐渐增大。     

可倾瓦径向气体轴承间隙对其静态性能的影响

采用有限差分法求解三可倾瓦径向气体轴承静态气体润滑方程,得到了稳态时轴瓦与转子表面间的气膜压力分布;在一定静载荷下,计算了不同轴承间隙对应的转子起飞转速及相同工作转速下的最高气膜压力;分析了不同轴承间隙时,转速从起飞转速上升至工作转速过程中转子偏心率和瓦块摆角的变化。结果表明:在一定静载荷下,轴承间隙越大,轴承的最高气膜压力越小,转子的起飞转速越高,偏心率及各瓦块的摆动幅度越大。     

动静压耦合效应下气体轴承流场特性分析

为研究静压气体轴承的动静压耦合效应机制及其对流场压力分布、承载力等特性的影响,以高速静压气体轴承为研究对象,采用CFD数值仿真方法,在不同偏心率及转速条件下对流场特性、动静压耦合效应机制、承载力以及偏心角进行分析研究。研究表明:转速和偏心率变化导致的气体黏性力、压差流和气体可压缩性变化,影响流场动静压耦合效应的强度,且造成流场的周向压力分布不对称,进而导致承载力及偏心角的变化;在相同偏心率下,承载力随转速升高而单调递增,偏心角随转速升高呈现非线性变化规律;在相同转速下,当转子保持在低速范围内时,偏心角随偏心率增大而增大,高速时则相反。     

稀薄气体效应对止推箔片轴承的性能影响

为研究稀薄气体效应对微小间隙下气体止推箔片轴承承载力的影响,分别采用连续模型、一阶滑移模型和WU新滑移模型速度边界条件,建立考虑稀薄气体效应的修正雷诺方程,运用有限差分法求解修正雷诺方程,得到3种模型不同箔片变形柔度系数、不同转速、不同轴承间隙下的微型止推箔片轴承的压力分布和轴向承载力。结果表明:止推箔片轴承的箔片变形柔度系数越小,转速越高,轴向承载力越大;在轴承最小间隙低于0.5μm、转速低于20 000 r/min条件下,稀薄气体效应会使止推箔片轴承承载力降低,且一阶滑移及WU新滑移模型的气压和承载力远低于连续模型,模型间的结果偏差随轴承间隙、转速和箔片变形柔度系数的减小而逐渐增大。     

人字槽小孔节流动静压气体轴承承载特性研究

为提高动静压气体轴承的承载特性,以人字槽小孔节流动静压气体轴承为研究对象,运用流体力学理论对气体轴承的气膜流场特性和承载特性进行分析,研究不同转速时人字槽小孔节流动静压气体轴承承载力的变化规律,分析不同偏心率下人字槽槽数及几何参数对轴承承载特性的影响。结果表明:随转速的增加,人字槽产生的动压效应不断增强,轴承承载力不断提高;偏心率的增大可以提高轴承的承载力;同一偏心率下轴承的承载力随人字槽槽数的增多逐渐增大,当人字槽槽数小于10时,承载力增加较快,当人字槽槽数大于10时,承载力增加缓慢;随人字槽槽深比和槽宽比的增大承载力先升高后降低,在槽深比为2.4、槽宽比为0.55时承载力达到最高值。     

锥台型气体润滑动压轴承动力学数值模拟研究

针对高精密陀螺电机气体润滑动压轴承间隙复杂流动特点,分析轴承的静态特性和推导一阶滑移边界条件。采用基于无滑移边界和一阶滑移边界条件的计算流体力学方法模拟气体润滑动压轴承间隙复杂流动,计算获得不同偏心距轴承的静态载荷、刚度、功率和偏位角等参数,并与轴承试验结果进行对比分析。研究结果得出,在自重条件下轴承试验测量刚度结果位于无滑移和滑移边界条件数值模拟结果之间,比无滑移边界条件计算结果小约10%,比一阶滑移边界计算结果大约44%,表明轴承间隙流动只存在局部滑移;数值模拟结果的偏位角方向与试验结果一致,分别相差4°和2.6°左右。研究结果可为陀螺电机气体润滑轴承设计提供技术参考。     

界面滑移对动压气体轴承间隙流动特性的影响*

为揭示转子静子表面流固界面非一致滑移状态下动压气体轴承转静子间隙流动机制以及对轴承性能的影响,建立界面非一致滑移修正雷诺方程,并耦合气膜厚度方程进行超松弛迭代求解,数值分析研究转静侧滑移状态、偏心率、间隙尺寸和耦合弹性箔片对间隙气膜流动特性的影响。结果表明：流固界面滑移状态对转静子间隙流动及其轴承性能具有显著的影响;转子侧滑移发生在压力上升区,这使得高压区压力减小;而静子侧滑移发生在压力下降区,使得高压区压力增大;与无滑移情形相比,局部滑移时间隙气膜压力峰值变化增幅达12%。在研究的参数范围内,随着偏心率减小和间隙高度增大,间隙界面滑移状态逐渐由转子侧滑移占主导向静子侧滑移占主导转变;耦合弹性箔片时,滑移区域增大1~4倍,滑移速度增大2~8倍,间隙气膜压力呈现双峰值分布。     

液体静压主轴热态特性多物理场耦合仿真与实验研究

液体静压主轴在加工过程中受热源影响发生热变形,会影响机床加工精度。针对一种超精密卧式辊筒加工机床的液体静压主轴,建立主轴生热与散热的理论模型,采用有限体积法与有限单元法建立主轴的流-热-固耦合仿真模型,考虑油膜区域散热条件,分析主轴工作到稳态下的温度场以及产生的轴向热误差,并通过试验验证仿真模型的正确性和准确性。应用该模型分析主轴转速、供油压力、液压油黏度、油膜间隙以及轴向封油边长度对主轴温升的影响。结果表明,主轴温升随主轴转速、液压油黏度、封油边长度的增大而增大,随供油压力、油膜间隙的增大而减小。因此,在满足主轴性能的前提下,使用较低的主轴转速、较大的供油压力,选择小黏度的液压油、较大的油膜间隙以及较短的封油边长度可以有效地降低主轴的温升。     

动静压轴承油膜温度场特性分析与实验研究

以具有深浅腔的动静压轴承为研究对象,基于GAMBIT对油膜进行网格划分并建立三维有限元模型,编写纳入Reynolds边界条件和实现偏位角迭代的UDF程序。通过FLUENT仿真得到该动静压轴承不同工况下油膜的温度场分布,计算和分析表明油膜温升随主轴转速和偏心率的增加而迅速提高,且转速增大,温度峰值沿轴颈旋转方向逐渐后移。搭建实验台并测量试验轴承不同位置的温度,并与FLUENT计算结果进行对比,结果趋势一致。     

空化效应对斜线槽机械密封性能的影响

润滑膜的空化效应对流体动压型机械密封的密封性能影响显著。以煤油基磁流体润滑斜线槽上游泵送机械密封为研究对象,考虑空化热效应以及黏温效应,建立润滑液膜特性的数值分析模型,以液膜中的气相体积分数为指标,研究工况和结构参数对密封性能的影响规律,并与仅考虑黏温效应的模型进行对比。结果表明：因空化热模型考虑液膜介质饱和蒸汽压力随温度变化,考虑空化热效应时的开启力、泄漏率和气相体积分数均小于仅考虑黏温效应下的对应值,但2种条件下各参数的变化趋势基本一致;转速和槽径比增大,空化效应增强,而进口压力、膜厚、径向夹角和槽数的增大会削弱空化效应;转速、槽深、径向夹角、槽径比增加,会导致泄漏率增加,而进口压力和槽数的增加能够提升密封性能。     

多因素影响下空气静压轴承静态特性分析及实验研究

由于空气静压主轴气膜厚度处于微米级别,而主轴中的不平衡现象会影响轴承内的气膜厚度变化,因而需要对各微尺度影响因素综合考虑,并对影响主轴不平衡的各因素进行充分考虑才能真实反映主轴内的气膜流动状态,仿真出轴承的静态性能。充分考虑影响主轴不平衡的各因素并对传统雷诺方程进行修正,研究黏度、流量因子、速度滑移3个微尺度因子及转子偏心和制造误差对轴承静态性能的影响,并通过实验验证从而实现对空气静压主轴静态特性的真实预测和分析。结果表明：3个微尺度因子中,速度滑移对轴承气体压力分布影响最大,同时考虑3个微尺度因子时更能反映轴承气膜流动真实状态;转子偏心与制造误差耦合时,随转子偏心率增大,轴承中各节流孔附近的气膜压力分布与气膜刚度差异越来越大,将严重影响轴承气膜刚度。     

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。     

An Experimental Investigation into the Temperature Profile of a Compliant Foil Air Bearing

A series of tests was performed to determine the internal temperature profile in a compliant bump-type foil journal air bearing operating at room temperature under various speed and load conditions. The temperature profile was collected by instrumenting a foil bearing with nine type-K thermocouples arranged in the center and along the bearing's edges in order to measure local temperatures and estimate thermal gradients in the axial and circumferential directions. To facilitate the measurement of maximum temperatures from viscous shearing in the air film, the thermocouples were tack-welded to the backside of the bumps that were in direct contact with the top foil. The mating journal was coated with a high-temperature solid lubricant that, together with the bearing, underwent high-temperature start-stop cycles to produce a smooth, steady-state run-in surface. Tests were conducted at speeds from 20 to 50 krpm and loads ranged from 9 to 222 N.

The results indicate that, over the conditions tested, both journal rotational speed and radial load are responsible for heat generation with speed playing a more significant role in the magnitude of the temperatures. The temperature distribution was nearly symmetric about the bearing center at 20 and 30 krpm but became slightly skewed toward one side at 40 and 50 krpm. Surprisingly, the maximum temperatures did not occur at the bearing edge, where the minimum film thickness is expected, but rather in the middle of the bearing, where analytical investigations have predicted the air film to be much thicker. Thermal gradients were common during testing and were strongest in the axial direction from the middle of the bearing to its edges, reaching 3.78° C/mm. The temperature profile indicated the circumferential thermal gradients were negligible.     

角接触球轴承的温度场分析

研究轴承的发热、传热过程,可为轴承动态油膜的热失稳研究提供理论支持。建立滚动轴承油气或油雾润滑下的热节点传热模型,利用热网络法建立温度场计算模型,并考虑轴承转速、载荷、离心力和自旋对温升的影响,计算出各节点的温度。结果表明,角接触球轴承的热生成与轴承转速、载荷、离心力和自旋有关,转速越高,载荷越大,则轴承的温升越高;随着转速增大,离心力和自旋对温升的影响增大,尤其高速情况下,离心力和自旋对轴承温升的影响不可忽略。     

Properties and Performance of Gas-Expanded Lubricants in Tilting Pad Journal Bearings

Lubricants enable proper function and reduce friction in rotating machinery, but they can also contribute to power loss and heat buildup. Gas-expanded lubricants (GELs) have been proposed as tunable mixtures of lubricant and CO₂ under pressure with properties such as viscosity that can be controlled directly in response to changing environmental or rotordynamic conditions. In this work, experimental results of GEL viscosity, gas diffusivity, and thermal conductivity were combined with high-pressure phase equilibrium data to understand how these mixtures will behave in tilting pad journal bearings under a range of industry-relevant high-speed conditions. Simulations were carried out using the experimental data as inputs to a thermoelastohydrodynamic model of tilting pad journal bearing performance. Viscosity could be easily tuned by controlling the composition of the GEL and the effect on bearing efficiency was appreciable, with 14–46% improvements in power loss. This trend held for a range of lubricant chemistries with polyalkylene glycols, polyalpha olefins, and a polyol ester tested in this work. Diffusivity, which drives how readily CO₂ and lubricants form homogenous mixtures, was found to be a function of the viscosity of the synthetic lubricant, with more viscous lubricants having a lower diffusivity than less viscous formulations. Model results for a bearing in a pressurized housing suggested that cavitation would be minimal for a range of speed conditions. Other bearing parameters, such as eccentricity, temperature, and minimum film thickness were relatively unchanged between conventionally lubricated and GEL-lubricated bearings, suggesting that the efficiency improvements could be achieved with few performance tradeoffs.