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。     

多孔质静压轴承概述

多孔质材料作为气体静压或者液体静压轴承的节流器具有广阔的应用前景,主要是因为相对于传统的小孔节流轴承来说,气体或液体静压多孔质轴承具有很高的承载能力,良好的稳定性和低成本等优点。本文综述了多孔质静压轴承的静态特性和动态特性的研究现状,分3个部分介绍了多孔质轴承的发展过程,给读者一个全面的了解。     

局部多孔质气体静压径向轴承的建模与仿真

针对目前超精密机床制造需要高承载、高刚度气体静压轴承的情况,设计出一种局部多孔质气体静压径向轴承。建立了局部多孔质气体静压径向轴承的数学模型,并仿真了各参数对轴承静态特性的影响。结果表明,选择合适的平均半径间隙、节流器直径和渗透系数、轴承直径和长度可以获得最大的承载值和刚度值。     

气体静压小孔节流与多孔质节流性能的比较

本文给出了传统的小孔节流和多孔质节流轴承的理论分析，分析了外部供压气体轴承的进气形式对轴承性能的影响，对于不同类型的小孔节流和多孔质节流的轴承，本文给出了实验结果，并对轴承的性能参数即承载能力，刚度等进行了比较，作者分析了小孔节流和多孔节流止推轴承的承载能力和刚度，结果表明多孔质止推轴承同小孔节流轴承相比，具有高的承载能力。     

多孔质石墨气体静压止推轴承静态性能分析

应用基于有限体积法的Fluent软件进行数值仿真实验,分析了多孔介质的渗透系数、厚度、直径以及气源的供气压力等因素对全多孔质气体静压轴承静态性能的影响,得出相应的关系曲线。自行设计了实验平台,实测获得了多孔质石墨气体静压止推轴承的载荷、刚度、流量等静态特性曲线。数值计算结果与实验结果具有很好的一致性,验证了该数值计算方法的可行性。结果还表明,当多孔介质渗透系数为7.95×10-15 m2,厚度为10mm,直径为45mm,且气膜间隙为3～5μm时,全多孔质石墨气体静压止推轴承静态刚度超过70N/μm。     

空气静压多孔质止推轴承多孔质圆板的变形

在获取空气静压多孔持轴承的静态性能的过程中，有很多问题需要慎重考虑，其中包括惯性效应，速度滑移，多孔质渗透率的变化，多孔质表面粗糙度以及多孔质平板的变形，给出了止推轴承中多孔质平板的变形原理以及相应的粘结剂的弹性变形，同时给出了测量多孔质平板变形的方法和相应迭代方法的原理。     

基于分形理论多孔质石墨渗透率的研究

针对用于多孔质气体静压轴承多孔质石墨结构的复杂性。从其结构形成机理出发。利用分形几何理论，对多孔质气体静压轴承性能影响起至关重要作用的渗透率进行研究。并建立多孔质石墨渗透率与其分形维数之间的定量关系。使多孔质石墨的宏观参数与微观结构建立0联系。     

局部多孔质气体静压止推轴承压力分布的研究

利用计算流体动力学软件FLUENT对局部多孔质气体静压止推轴承的压力分布进行了仿真研究.局部多孔质和气膜都采用有限体积法进行离散,同时考虑了气体在局部多孔质和气膜内的三维流动,因此使仿真结果相比于二维计算结果更加接近实际.通过仿真研究给出了多孔质圆柱塞个数、半径及其高度不同时,轴承压力分布的变化趋势.结果表明,随着多孔质圆柱塞个数的增加、半径的增大或其高度的减小,气膜内的压力都会相应的增大,从而使静压轴承的承载能力得到提高.     

基于分形理论多孔质石墨渗透率的研究

针对用于多孔质气体静压轴承的多孔质石墨结构的复杂性,从其结构形成机理出发,利用分形几何理论, 对多孔质气体静压轴承性能的影响起至关重要作用的渗透率进行研究,并建立多孔质石墨渗透率与其分形维数之间的定量关系,使多孔质石墨的宏观参数与微观结构建立联系。利用Matlab软件编写的程序,对多孔质石墨的组织结构进行分析,确定孔隙的分形维数,通过模型求得多孔质石墨的渗透率,并通过试验验证了模型的正确性。     

多孔质气体静压径向轴承倾斜状态特性研究

为研究倾斜状态对多孔质气体静压轴承性能的影响,基于一维流动模型应用有限元方法对多孔质气体静压轴承进行数值分析,研究渗透率、初始偏心距、倾斜角度等重要因素对多孔质径向轴承承载能力和弯矩的影响。结果显示:轴承初始偏心距对轴承承载能力影响很大;在相同初始偏心距时,倾斜状态下的径向轴承承载能力随着轴承倾角的增大而增大;在相同倾斜角度时,径向轴承承载能力分别随着轴承初始偏心距和轴承渗透率的增大而增大,并且初始偏心距越大,渗透率对承载能力的影响越大。     

Numerical and experimental analysis of aerostatic thrust bearings with porous restrictors

The finite element method is used to predict the performance of aerostatic thrust bearings with a complete porous surface. Results obtained by a 1D and 3D source flow model derived from D’Arcy’s law are compared for rectangular porous bearings having an infinite width. It turns out that the 1D source flow model is adequate for practical design parameters. For a circular aerostatic porous thrust bearing results calculated with several mathematical models for the source flow and slip flow are compared with experimental results. A relatively simple model incorporating unflatness and deformation of the bearing surface correlates well with the experimentally determined bearing performance.     

变截面节流器对空气静压轴承承载性能的影响

为了分析可变截面节流器对空气静压轴承性能的影响,提出了变截面节流器的空气静压轴承模型,通过轴承承载表面弹性薄板的挠度变形实现节流器截面形状的动态变化。建立固体薄板变形和气体润滑的耦合偏微分方程,采用有限差分法和超松弛迭代法对耦合方程进行离散和数值求解。计算结果表明:节流器的截面形状直接决定了数值计算过程中喷嘴系数的大小,与刚性节流器的空气静压轴承相比,变截面节流器的空气静压轴承刚度提高了15%,在较高承载力的情况下能够获得更大的刚度。实验测试结果和理论分析基本一致,变截面节流器的设计方法能够有效提高空气静压轴承的静特性。     

多孔质气体止推轴承跨缝过程时变特性研究

针对某大型超平气浮支撑平台上卫星模拟器所使用的多孔质气体止推轴承,在跨越气浮平台的拼缝过程中存在的运动卡滞和自激振动问题,建立多孔质轴承气体润滑理论模型,考察气体轴承的稳态特性;使用有限元法分析多孔质气体轴承通过拼缝时的动态时变特性,并分析压力分布、承载能力、倾覆力矩的变化。结果表明:平台拼缝间隙的存在对多孔质气体止推轴承压力分布造成了较大的影响,导致跨缝过程中其承载能力大幅降低,从而造成轴承表面划伤,因此在轴承的设计选用中应留有较多的承载余量;多孔质气体止推轴承在跨峰过程中,在其运动方向上存在呈正弦波动的倾覆力矩,但对其正常使用不会造成影响。     

Discharge coefficient influence on the performance of aerostatic journal bearings

Aerostatic journal bearings need externally pressurized air. The discharge coefficient is usually assumed constant for sonic and subsonic flow conditions. However, some authors found that it is variable as a function of the pressure ratio, orifice throat discharge and supply pressures. The present study is a theoretical investigation of the discharge coefficient influence on the performance of aerostatic journal bearings. The Reynolds equation for compressible fluids is solved by the finite element method with triangular linear elements. For 0.5 eccentricity ratio, the bearing load carrying capacity difference is 0.5%, although the bearing total mass flow rate difference is 7.4%.     

气体静压多孔质止推轴承静态特性的理论发展

多孔质材料被用来作空气静压轴承的节流器在过去已经广为报道了。多孔质材料节流器化传统的了流器具有一些显的优点,如设计和制造简单,很高的承载能力和刚度,更优越的尼特性以及体成。甚至更加复杂的几何结构如球轴承,空气静压丝杠也能够很容易获得,到目前为止,止推轴承尤其是圆板状的止推轴承是进行理论分析的最简化的几何模型,同时也是报道最多的。本首先介绍多孔质空气静压轴承的理论,接着着重介绍多孔质止推轴承的理论发展,最后,作讨论了关于多孔质介质的进一步研究的方向。     

弹性均压槽空气静压轴承静特性的影响因素分析

为了研究影响弹性均压槽空气静压轴承静态特性的因素,基于气固耦合原理,建立弹性均压槽空气静压轴承的耦合控制方程,采用有限差分对控制方程进行离散求解,分别研究供气压力、均压槽宽度和节流孔直径对弹性均压槽空气静压轴承静态特性的影响。结果表明:供气压力、均压槽宽度和节流孔直径对弹性均压槽空气静压轴承承载力和刚度的影响较大,供气压力越大,轴承的承载力和刚度也越大,但刚度最大时的工作气膜间隙越小;均压槽宽度越大,轴承刚度最大时的工作气膜间隙越大;节流孔直径越小,轴承刚度越大。实验结果和理论计算结果基本一致,验证了数学模型和理论方法的正确性。     

局部多孔质气浮止推轴承的设计研究

建立了局部多孔质气浮轴承的理论模型,该模型考虑了轴承气膜交界面处的切向速度滑移。利用有限元方法对所建立的模型进行了理论仿真,轴承静态特性的仿真与试验结果取得了较好的一致性,说明经过修改后的雷诺方程可以用来作为局部多孔质气浮轴承研究的理论模型。利用该模型成功计算出不同渗透系数、不同厚度及不同直径的局部多孔质气浮轴承的流量、承载及刚度特性,并给出了相应的变化曲线。根据仿真结论,提出了局部多孔质气浮止推轴承的设计准则。另外,从理论上将该类轴承与全多孔质类型气浮轴的承特性进行了对比,表明局部多孔质气浮轴承有着优良的特性,有很好的应用前景。     

气浮主轴轴向闭式支承系统静特性数值分析

求解气体润滑问题的最大难点在于如何获得雷诺方程的精确解。为了提高气浮主轴轴向支承系统的设计精度,在建立小孔节流气体静压止推轴承润滑数学模型的基础上,运用有限元方法对雷诺方程进行离散化。基于MATLAB7.0工具平台,采用超松弛迭代法,开发求解气体静压止推轴承压力方程与静特性的数值仿真软件。以某气浮主轴轴向闭式支承系统静特性参数设计为例,通过数值仿真,获得单侧止推轴承润滑气膜的压力分布,及不同节流孔直径与不同供气压力下的静特性性能;以刚度最大为优化目标,确定该气浮主轴止推轴承的结构参数与操作参数,并由此获得闭式支承系统的静特性。