真空预载型多孔质气体止推轴承静态特性研究

为了提高孔质静压气体轴承的刚度,将负压腔引入多孔质静压气体止推轴承的设计中,运用有限元方法对真空预载型多孔质静压气体止推轴承进行数值分析,分析负压腔真空度、负压腔面积比S_a/S(负压腔横截面积与轴承横截面积比值)、多孔材料渗透率、供气压力等因素对轴承静态特性的影响。分析结果显示:负压腔中真空度的变化对轴承的刚度几乎没有影响;真空度的增大,改变了气膜的压力分布造成轴承承载能力在一定程度上的下降;在气膜间隙5～12μm之间,真空腔的引入使气膜刚度明显增加;当S_a/S≠0,气膜间隙8～10μm时,S_a/S值的变化对轴承承载能力的影响较刚度更大;在一定承载能力下,轴承刚度随负压腔面积比增大而增大,而气膜厚度随之逐渐减小。试制真空吸附型多孔质静压气体止推轴承,并对其承载能力、刚度进行试验,实验值和理论值有较好的一致性。     

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。     

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。     

空气静压止推轴承静态性能测试装置设计

根据空气静压止推轴承静态性能测试要求,设计了一套基于气体静压轴承负载自动平衡原理的测试装置,实现了对空气静压止推轴承承载力、不同负载下气膜厚度以及气膜间隙内压力分布的测量.实验结果与理论分析结果取得较好的一致性,说明本套实验装置的设计是合理的.     

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。     

超精密机床径推一体式空气静压轴承的静态特性(英文)

提出了一种新的径推一体式静压主轴支撑方式来优化机床主轴系统性能,以满足超精密飞切机床对气体静压轴承高刚度的要求.采用计算流体力学和有限体积法对气体静压轴承气膜内部的流场与压力场进行仿真,并研究其静态特性.为提高计算精度,完成了轴承宏观尺寸与气膜厚度相差几个数量级时气膜厚度方向2 μm间距的网格划分.仿真结果表明,在偏心状态下由于气膜压力的变化使节流孔气体流速在1～200 m/s内变化,机床所采用径推一体式轴承静态刚度达到3 508 N/μm.研究表明,通过增大轴承的供气压强和减小节流孔的直径可改善轴承的静态性能进而提升机床性能.     

静压径向气体轴承静态特性数值分析

对静压径向气体轴承的静态特性进行了详细的理论研究,采用二阶有限差分方法数值求解无量纲雷诺方程,编制Matlab迭代程序计算轴承的气膜压力分布。仿真分析了各种轴承结构参数和工作参数下静压气体轴承的承载、刚度和质量流量等静态性能的变化规律。仿真结果表明轴颈的转速对静压气体轴承的承载、刚度和质量流量等静态特性施加着重要影响,在分析轴承性能时必须考虑轴颈的旋转效应。当轴颈的转速不断增大时,轴承的气膜压力、承载能力和稳态刚度等静态性能能够得到显著提升。     

精密钻削电主轴静压气体止推轴承润滑参数动态优选设计

针对气体轴承的传统工程算法效率低,计算误差大,难以满足精密电主轴气体轴承设计要求的问题,在建立精密钻削电主轴轴向闭式支承物理模型的基础上,结合静压气体止推轴承润滑理论分析,运用有限元方法对雷诺方程进行离散求解。基于Matlab工具平台,采用超松弛迭代法编写了求解气体静压止推轴承压力方程组、承载能力和刚度的计算软件,实现了气体止推轴承润滑参数动态优选设计。通过该软件的计算仿真,得到了正在开发的PCB钻削电主轴静压气体止推轴承气膜间隙、节流孔直径、供气压力与轴承承载能力及刚度的曲线;以最大刚度为优化目标,最终确定了该电主轴止推轴承的最优润滑参数。     

精密钻削电主轴静压气体止推轴承润滑参数动态优选设计

针对气体轴承的传统工程算法效率低,计算误差大,难以满足精密电主轴气体轴承设计要求的问题,在建立精密钻削电主轴轴向闭式支承物理模型的基础上,结合静压气体止推轴承润滑理论分析,运用有限元方法对雷诺方程进行离散求解。基于Matlab工具平台,采用超松弛迭代法编写了求解气体静压止推轴承压力方程组、承载能力和刚度的计算软件,实现了气体止推轴承润滑参数动态优选设计。通过该软件的计算仿真,得到了正在开发的PCB钻削电主轴静压气体止推轴承气膜间隙、节流孔直径、供气压力与轴承承载能力及刚度的曲线;以最大刚度为优化目标,最终确定了该电主轴止推轴承的最优润滑参数。     

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。     

多孔质气体静压径向轴承的Fluent仿真与实验研究

多孔质气体静压轴承相比传统的小孔节流轴承具有更高的承载能力,更好的稳定性及便于加工等优点。应用基于有限体积法的软件Fluent分析偏心率、多孔质材料渗透率、轴承长径比和平均气膜厚度等关键因素对多孔质径向轴承静态性能的影响,分析结果显示,在给定轴承平均气膜厚度的情况下,存在最佳的渗透率区间使得承载能力最大,增加轴承长径比和减小平均气膜厚度均可以提高多孔质径向轴承的承载能力及刚度,但需要根据加工装配工艺要求及实际工况选择合适的参数。设计制造中心供气新形式的多孔质径向轴承,通过仿真得到气膜间隙的压力分布及承载能力,并通过实验验证仿真结果的正确性。仿真和实验结果表明,该结构形式的多孔质径向轴承承载性能优良。     

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。     

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。     

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。     

超精密空气静压主轴静态性能的数值分析

为了对超精密空气静压主轴静态性能进行数值分析，利用有限元法求解空气静压轴承内的压力分布，计算径向和止推轴承的承载、刚度和供气流量。研究轴承参数对轴承静态性能的影响，提出空气静压轴承的设计准则。推导出精密主轴承载、径向刚度、轴向刚度和角刚度的计算公式。实验证明数值分析是正确的。     

止推气浮轴承静态特性研究

为了对止推气浮轴承的性能进行研究,通过建立数学模型,运用有限差分法和流量连续原理对控制方程进行了有限差分表达式的推导。利用VB6.0语言对其压力分布、承载力、气膜间隙以及流量等进行了数值求解。结果表明:气浮止推轴承能够很好地实现气浮支承的效果,其承载能力与气膜间隙成非线性反比关系。     

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。     

空气静压止推轴承动态性能试验台

针对空气静压止推轴承动态性能的研究需求,研制了一种可以测量一定外部扰动情况下的轴承气膜间隙变化量及对应扰动变化量之间关系的试验台,阐述了试验台的机械结构、测试系统以及工作原理。测试结果表明:该试验台很好表征了不同的外部扰动频率下气膜间隙的变化趋势,运行平稳,可靠性高,能够满足空气静压止推轴承动态性能的研究需求。     

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。     

单连续狭缝气体静压止推轴承的静态特性研究

提出一种单连续狭缝气体静压止推轴承,应用Gambit软件建立轴承三维气膜模型,并利用Fluent软件对模型进行仿真求解,研究狭缝位置、狭缝深度和狭缝宽度对轴承的承载力、刚度、耗气量等静态特性的影响。结果表明:随着狭缝所在圆半径的增大,耗气量增加,承载力和刚度均先增大后减小;随着狭缝宽度的增大,承载力逐渐增大并趋于平缓,刚度和耗气量先增大后减小;随着狭缝深度的增加,承载力和耗气量呈线性减小,刚度则先增大后减少。因此,选择合适的狭缝结构参数可以提高轴承的静态特性。基于仿真结果,设计并制造一种组合式单连续狭缝气体静压止推轴承,在气体轴承试验台上测试其在不同供气压力下、不同气膜厚度下的承载力。结果表明:轴承承载力随着气膜厚度的增大而减小,随供气压力的增大而增大。设计的连续狭缝气体静压止推轴承可以满足精度要求,其试验结果与仿真结果具有较好的一致性。