超声速流下多供气空圆盘静压止推气体轴承性能分析

应用Fluent软件对多供气节流小孔盘静压止推气体轴承进行三维流场的模拟计算,分析供气小孔数、气膜间隙和供气压力对圆盘静压止推气体轴承性能的影响,并和Reynolds方程解的结果进行比较,分析气膜内发生超音速流和不发生超音速时气膜内的压力分布和马赫数情况.结果表明,应用Fluent数值模拟可以很方便地处理节流小孔进入到气膜内区域的复杂流场流动;增加供气孔数、减小气膜间隙和降低供气压力能够避免多供气孔静压止推气体轴承气膜内发生超音速.     

静压气体轴承中的激波与边界层相互影响的研究进展

综述空气动力学理论中激波—边界层相互影响的一般特性以及静压气体轴承中的激波与边界层相互影响理论与试验研究。指出随着计算技术和微流体测试技术的发展,气膜内的压力分布、速度分布和马赫数分布,根据流场各段不同的流动特点,将可以采用合适的湍流模型进行计算机模拟,并采用相关试验得到验证。静压气体轴承中的激波—边界层相互影响将得到更深入的研究,必将促进对较高供气压力和较大气膜间隙条件下,静压气体轴承气膜入口、出口转角区和气膜内轴承特性的全面了解。     

圆盘止推静压气体轴承亚音速流场的简化计算

雷诺气体润滑方程仅涉及轴承气膜内的静压分布,对静压气体轴承流道特性的准确刻画还需要研究轴承流道内的气流速度场。将忽略惯性力的纯粘性等温气膜和等熵流动的供气孔拼接,建立了单供气孔环面节流圆盘止推轴承的流道简化模型,给出流道各部分气流马赫数、雷诺数和压力分布的计算公式。结果表明,气膜中气流速度随矢径变化的性质,取决于速度梯度为零的矢径位置;气膜中的气流雷诺数随矢径的增加不断减小。实际的计算结果表明,只要气膜入口截面上的气流马赫数小于临界声速,整个轴承流道将工作在亚音速,供气压力或气膜高度的变化对气膜起始区域边界层发展段长度的影响很小,供气孔始末端截面上压力和温度的变化也很小,忽略惯性力的纯粘性等温雷诺模型基本能够适用轴承的整个亚音速工况。气膜起始区域边界层发展段的长度,可以用气膜中雷诺数大于临界雷诺数的区域长度来近似。     

气体静压径向轴承气膜流场及承载特性分析

研究偏心率及不同供气压强条件下,气体静压径向轴承节流孔附近的气膜流场特性及承载力变化情况,并通过优化节流孔张角,提高轴承承载力。建立气体静压径向轴承三维模型,划分网格并确立模型的边界条件,采用Fluent软件对轴承内部气膜流场进行仿真计算。计算结果表明,气体静压径向轴承偏心率的增加,会导致区域气膜的压力差增大,从而提高轴承的承载力。轴承承载力同样会随着供气压强的增大而增大,但增幅会随着供气压强的增大而逐渐变小。但当供气压强增加到临界值时,由于节流孔附近激波的出现,将导致承载力随着供气压强的进一步增大而降低。通过改变轴承节流孔张角,可消除轴承气膜内的涡流现象,并改善气膜流场特性,降低能量损失,提高轴承承载力。经过分析对比,发现最优节流孔张角介于50°到60°之间。     

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。     

环形节流孔径向静压气体轴承的数值仿真

以环形节流孔径向静压气体轴承为研究对象,介绍了静压气体轴承的结构形式和工作原理,对气体润滑理论基础Reynolds方程进行了分析,利用计算流体动力学软件FLUENT对气体轴承的流场进行仿真分析,求解出了轴承气膜的压力分布.在轴承几何参数不变的情况下,分析了承载力与空气质量流量随不同供气压力和偏心率变化关系,并研究了静压气体轴承在高速工作下,动压效应对承载力的影响.     

阵列型空气轴承特,陛与供气压强关系的仿真分析

基于FLUENT采用三维双精度标准κ-ε粘性湍流模型,仿真了供气压强为6、7、8、9和10 atm时的同孔径等间距孔式静压空气平面轴承节流器4×4阵列,得到了五种压强下阵列多节流器耦合后的质量流量、气膜平均压强等关键性能参数及气膜静压强分布、速度分布等.仿真数据表明:总质量流量与供气压强成比例;增大供气压强可提高气浮垫的平均气膜压强即承栽能力.从气膜压强和速度关于位置坐标的累积分布得到了不同供气压强下阵列气膜区压强、气体速度的耦合关系.仿真结果能指导静压空气平面轴承的优化设计,为辨识多节流器阵列气膜压强和气体速度分布等理论模型提供了仿真数据.     

基于数值模拟的小孔节流空气静压轴承静动态特性研究

为了提高小孔节流空气静压轴承的静动态性能,基于流体力学和固体力学的基本控制方程,建立小孔节流空气静压轴承双向流固耦合数值模拟模型;采用静态数值模拟方法获取了设计参数对承载力和刚度的影响规律,进一步对微气膜间隙内三维流场特性进行了分析,有效降低了微气膜间隙内气体冗余现象对空气静压轴承动态稳定性的影响,并在数值计算的基础上对空气静压轴承结构和工作参数进行优化设计;在气体静压试验平台上对自行研制的空气静压轴承进行静动态特性测试。试验结果表明:所提出的数值模拟方法具有很好的预测效果;所采用的优化设计方法能够显著提升空气静压主轴的静动态特性。     

节流孔分布对矩形止推气浮静压轴承承载力的影响

为了分析矩形止推气浮静压轴承的承载性能,研究节流孔分布结构对轴承承载性能的影响,通过SolidWorks三维建模软件建立了气浮轴承的流场模型。通过FLUENT软件对气浮轴承的流场模型进行仿真分析,求解得到了不同节流孔分布结构的轴承气膜压力分布及其承载力。分析结果表明,在节流孔个数相同的情况下,当分布结构由多组沿圆周方向均匀分布的节流孔组成时,气膜间隙中间的压力更高,气浮轴承的承载力也更大;说明对节流孔分布结构进行优化设计能提高气浮轴承的承载力。     

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。     

环形多孔节流空气静压轴承气膜流场分析

为提高空气静压轴承工作的稳定性,设计一种环形多孔节流空气静压轴承,建立其物理模型,并采用大涡模拟方法对轴承节流孔出口处附近计算区域的气膜流场进行分析。结果表明：空气静压轴承气膜压力在节流孔的出口附近气膜间隙上出现分离,但在远离节流孔的出口气膜压力曲线是重合的;节流孔数为9时轴承节流孔出口处的最大压降幅度为节流孔数为1时的26%左右,最大速度突升幅度为节流孔数为1时的43%左右,表明增加节流孔的孔数可以显著减小节流孔的出口附近压力的突降、速度的突升,提高轴承工作稳定性;在空气静压轴承工作过程中,节流孔出口处附近压力和速度的突变会产生微振动现象,而采用环形多孔节流可显著降低微振动现象。     

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。     

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。     

小孔节流静压气体轴承压降效应的数值分析*

孔式节流静压气体轴承存在的压降效应会降低轴承承载性能。为探讨不同轴承结构参数对节流孔出口处压降效应的影响,以小孔节流静压气体轴承为研究对象,采用有限差分法、超松弛迭代法对轴承气膜流场进行计算,得到不同轴承结构参数下气膜压力分布。结果表明：节流孔直径和数量、偏心率、节流孔位置以及平均气膜厚度均对节流孔的压降效应产生重要影响;压降效应随节流孔直径和数量的增大而减小,随平均气膜厚度和偏心率的增大而增大,随空气温度升高而降低;节流孔越靠近轴承端面,压降效应越强;转速变化对节流孔压降基本不产生影响,表明压降效应主要与轴承的静态特性有关,与动态性能关系很小。     

空气静压轴系支承的数值分析

采用有限差分技术,对精密轴系中的径向和轴向空气静压轴承进行了数值分析。主要针对有多个供气孔的径向轴承的复杂流场,沿周向展开承载曲面以雷诺方程为气体润滑的控制方程。同时根据质量守恒原理,制定出每个供气孔出口压力边界条件逐轮修正的迭代路线,计算出不同偏心率和供气压力下的压力分布、承载能力及流量。该技术成功地用于轴系支承精确设计并制造出精密模块化主轴轴系。     

应用有限体积法空气静压导轨力学特性的研究

空气静压润滑是精密工程领域的关键技术之一,润滑气膜的压强分布、承载能力、刚度等力学特性是决定导轨稳定性的主要因素。目前,空气静压导轨设计中常采用简化雷诺方程的工程计算方法,存在静态性能误差大的特点。本文针对润滑气膜的压强分布规律、承载力等主要力学特性参数进行研究。基于节流孔出射气流为冲击射流,引入计算流体力学的有限体积法,应用理想气体等温条件下的k-ε模型封闭控制方程组对润滑气膜的力学特性进行数值分析,得出不同气膜厚度下空气静压导轨工作面上的压强分布规律。数值结果表明：导轨内气膜从节流孔沿工作面到导轨边缘的压强分布规律非雷诺润滑方程所给出的均匀递减变化,而是在节流孔附近存在半径约为500µm的负压区、峰值约为0.05MPa;在静压导轨气膜厚度与承载力分析的基础上,指出气膜与导轨间的气固耦合所引发的导轨弹性自激振动是空气静压导轨实现纳米级定位的主要制约因素。     

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。     

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。