Development and experimental evaluation of air flotation element with additional air‐intake capacity

Focusing on the flotation transmission of thin and light glass substrates, we propose a new air flotation element design. This new element takes advantage of a rotating airflow to form negative pressure, which then intakes additional air to support the floating workpiece via an intake hole connecting the negative pressure with the atmospheric environment. This design can effectively improve the flotation height and can reduce air consumption. Here, the structure and operating principles of this new element are illustrated, while the fundamental characteristics are experimentally investigated. We study the variation of negative pressure and the resulting intake flow when the flotation height varies. It is found that the new flotation element can intake additional air when the flotation height is larger than a certain critical value. Also, the additional air is conducive to raising the flotation level of the workpiece. This feature is suitable for applications involving low flotation forces, e.g. the flotation transmission of thin and light glass substrates. Additionally, the performances of the new element and the traditional orifice element are compared, indicating that, for the same flotation force and supplied airflow, the newly designed element can increase the flotation height by 25%. On the other hand, the air consumption can be reduced by approximately 50% using the new element, for the same flotation force and height. Copyright © 2015 John Wiley & Sons, Ltd.     

复杂轴承流体动力学特性的边界元分析

用边界元方法对复杂轴承中四叶轴承的流体动力学特性进行了分析，得到了轴承润滑区的流场分布、轴颈表面和轴承内表面上的压力分布。结果表明：在四叶轴承的每个尖角处形成了规则的环流，环流的方向与轴颈的旋转方向相反；轴颈表面的压力分布呈周期性变化，压力的最大值在轴承润滑区相对狭窄的区域，但不是最狭窄的区域；轴承四叶所受的压力具有极强的相似性和对称性；轴承所受压力的极大区和极小区恰与轴颈所受压力的极大区与极小区相对应。     

螺旋槽小孔节流动静压气体轴承动态特性分析*

为进一步改善小孔节流动静压气体轴承的稳定性,对螺旋槽小孔节流动静压气体轴承的动态特性进行了研究。建立不定常工况下的动态雷诺方程,采用偏导数积分法求解动态特性系数。研究有无螺旋槽、涡动比、转速、供气压力以及槽宽和槽深对轴承动态特性的影响规律。结果表明:螺旋槽可以显著提高轴承的动态特性,增加轴承的稳定性;随涡动比的增大,直接刚度系数增加,交叉刚度系数和各阻尼系数都减小;随转速的增大,各刚度系数增加,而各阻尼系数减小;随供气压力的增大,各刚度和阻尼系数均增加;随槽宽的增大,直接刚度系数和阻尼系数呈先增加后减小趋势,交叉刚度系数和阻尼系数变化较小;随槽深的增大,直接刚度系数增加,交叉刚度系数和各阻尼系数先增加后减小。     

空气静压轴颈轴承力学性能的分析优化

为提升小孔节流空气静压轴颈轴承的静、动力学性能,针对轴承间隙的流场特性与轴承的承载力、位移阻抗性能进行分析与优化。采用数值仿真方法分析轴承间隙的流场特性,并在参数设计中消除了气膜流场中的超音速区,以避免微振动;分析轴承气膜的刚度、阻尼性能,并采用ESA-CFD（Engineering Simplification Algorithm-Computational Fluid Dynamics）方法计算轴承振动系统的位移阻抗。结果表明,气膜压力自小孔至外边界逐渐衰减,小孔出口出现激波可导致漩涡流动并引起微振动,微振动形成机制与止推轴承相似。建立优化设计数学模型,以轴颈轴承的位移阻抗、承载力为设计目标,并消除轴承微振动,其中考虑多组偏心率与激励频率的组合。通过优化设计,提升了轴颈轴承的力学性能,相关优化、分析过程可为工程应用中空气静压轴颈轴承的设计提供参考。     

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。     

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。     

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。     

空气静压轴承流场对微振动的影响机制

为讨论空气静压轴承微振动的影响因素,针对轴承间隙的流场特性进行仿真分析,探讨流场雷诺数与微振动的关系。首先在不同的供气压下,针对轴承间隙进行跨音速流动分析,研究流场结构;其次,分析雷诺数对于漩涡流所致激励力的影响,并进一步采用流固耦合方法,讨论雷诺数对于微振动的影响;最后,建立近似模型讨论气腔容积、小孔孔径、气膜厚对流场最大雷诺数的影响,即研究轴承参数对漩涡激励大小的影响。结果表明：流场最大雷诺数可用以表征漩涡流所致扰动激励的强弱,但微振动还取决于气膜-被支承件系统的动力学性能;在气腔容积较小时,漩涡激励作用更弱,意味着轴承运转的稳定性更好。相关流动机制分析可为以削弱微振动为目的的轴承设计提供参考。     

非球面超精密气浮式测头设计及仿真

非球面接触式测量过程中,采用空气静压轴承的气浮式测头,可以减小测量探针对被测表面的压力和测头移动过程中所受的摩擦力。设计了一种非球面超精密气浮式测头,采用工程算法对其方形空气静压轴承进行了尺寸设计,建立了三种采用不同节流孔形式的轴承设计模型,同时分别对这三个轴承工作时内部的气流以及整个测头内部的气流建立了有限元模型,并采用Fluent流体计算软件对以上气流模型的气压分布、压强以及流量进行了仿真计算,预测了测头的静态性能。结果表明,测头刚度可达1.77MN/m,测头与被测表面之间的接触力可控制在0.1~7mN之间,所消耗空气流量最多为3.6m3/h,满足测头设计要求。     

均压槽尺寸对空气静压导轨静态性能的影响

引入有限体积法,采用理想气体等温条件下的k—ε模型封闭流动控制方程组,对均压槽尺寸改变条件下空气静压导轨润滑气膜流场分布进行数值模拟,得到导轨工作面压力分布图及承载力、刚度变化曲线,数值模拟结果表明：导轨承载力及气膜刚度随均压槽尺寸的增大而先增大后减小,存在一个最佳值;随均压槽尺寸增大,导轨工作面压强分布趋于均匀;但当均压槽大于一定尺寸时,气膜湍动随机性引发导轨工作面压强不规则分布,易造成偏载、导致导轨性能不稳。该结论为空气静压导轨均压槽设计及导轨系统静态性能的提高提供依据。     

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。     

直线电机驱动的H型气浮导轨运动平台

建立了双边直线电机驱动的H型气浮精密定位平台,对该精密定位系统的气浮导轨设计方法和双边直线电机同步运动控制等关键技术进行了研究。利用有限元法设计了气浮导轨,分析了气膜压力场的分布情况,采用预加载技术提高气浮导轨的承载能力和刚度等性能。静态特性实验表明,开发的定位平台气浮导轨具有较高的承载能力和刚度,X、Y导轨的竖直方向静刚度为276.9 N/μm和333.3 N/μm。设计了基于同步速度偏差的改进型并联结构同步控制器,采用模糊控制实现PID参数的自适应在线整定。运动实验表明,改进的控制器具有较高的同步控制精度,速度同步精度比一般同步控制提高了3倍多,适合于具有强机械耦合的多电机同步运动控制。H型直线电机气浮定位平台具有承载能力强、精度高的优点,可以用于光刻机和光学检测等精密工程领域。     

球形腔小孔节流空气静压轴承优化设计

针对球形腔小孔节流空气静压支承轴承,为提升其静、动力学性能,基于轴承间隙流场特性的分析结果进行优化设计.首先,采用数值仿真对轴承间隙,尤其气腔内的流动特性进行研究,分析其中跨音速流动特性及超音速区、漩涡流动等出现的机理,明确优化目标;其次,基于径向基神经网络模型,建立轴承力学性能关于设计参数的近似模型;最后,建立力学性...     

Gas-dynamic foil bearing model

A method is developed to calculate the characteristics of gas-dynamic bearings of rotors of gas-turbine engines and gas-turbine units. The method takes into account the contact interactions between the shaft journal, the fluid film, and the elastic bearing elements. The problem of multidisciplinary mathematical simulation of the elastic gas-dynamic contact is formulated and solved to determine the parameters of lubrication and deformations of the shaft and bearing. The considerable nonlinearity of the problem is governed by the equations describing the fluid flow in the bearing and the features of the elastic contact during deformation of the bearing elements. The calculation of the fluid-film flow in the bearing is based on the solution of the nonlinear two-dimensional Reynolds equation for a compressible fluid. The method of consecutive loading with error correction that within the interval prompts to the linearized Reynolds equation solution for fluid film pressure increment is used. The results of calculation of the fluid-flow parameters in the clearance between the shaft and the bearing are compared with the results obtained by solving the fluid-flow problem in a bearing modeled with the Navier-Stokes equations with the STAR-CD software. The stress-strain state of the elastic bearing elements is studied with the finite element model taking into account the contact interaction between the foils themselves and with the bearing race. The pressure distribution and the clearance in the shaft are determined iteratively by the coupled solution of the fluid flow and bearing foil deformation problems. Bearing stiffness characteristics, its carrying force and attitude angle are determined versus shaft journal displacement value and direction. It is shown that the stiffness characteristics of the bearing depend on the direction of displacement of the shaft journal in the bearing. The influence of the bearing elastic element deformations on the support load carrying capacity and the stiffness characteristics are studied. The results yielded by the calculations with the developed method are compared with those when the fluid-layer thickness in the bearing was calculated using the analytical model proposed by H. Heshmat and co-authors.     

圆柱腔小孔节流空气静压轴承动力学性能研究

为研究轴承参数对气膜刚度、阻尼特性的影响,以圆柱腔小孔节流空气静压支承轴承为例,基于动网格方法,采用数值仿真计算分析轴承气膜在外激励下的动载荷响应特性,计算气膜承载力、刚度和阻尼;考虑气膜厚、气腔尺寸、小孔孔径、供气压与激励特性,基于正交试验设计构造正交表,进行采样计算,采用径向基神经网络模型拟合得到承载力、刚度和阻尼与轴承参数的相关性数学模型;基于得到的数学模型,分析气腔尺寸对轴承动力学性能的影响。研究表明:由于挤压膜效应,激励频率的增加可使气膜刚度增加、阻尼降低;当轴承间隙气容更小时,刚度随激励频率的增加更快。     

微尺度下空气静压支撑在滑移区的承载特性实验研究

为了阐释空气静压导轨气膜间隙处在微小尺度所体现的特性,引入努森数(Kn),计算了不同工况下气膜内压力和不同气膜厚度下Kn数的变化关系。引入支撑区气膜分层假设,与分子动力学相结合,对气膜内不同流态层的刚度进行了实验和分析。通过ANSYS仿真和实验数据相结合得出了结论:气膜内稀薄效应的增强,可以一定程度上提高气浮支撑的静承载能力。气浮支撑的刚度特性和气膜内部分层情况有关:以分子碰撞运动为主的稀薄层主要起容性效应,实现分子间动量的传递和转化,因此该层所体现出来的刚度较差;以惯性力驱动的连续流层内部分子运动比较稳定,特别是在垂直方向不存在显著的动能和压力能之间的转化,因此该层的刚度特性较强。实验证明,气膜厚度在1~10 μm时,气膜的刚度先增大后减小,也间接论证了静压支撑的刚度特性主要由气膜内连续流层决定。     

Analysis of aerostatic porous annular thrust bearings with tilt

A theoretical analysis is presented in order to predict the static characteristics of an aerostatic porous annular thrust bearing with a tilted runner pad. The flow through the porous matrix is assumed to be axial because the thickness of the pad is small compared with its radius. After the pressure in the porous matrix is obtained, the modified Reynolds equation is solved numerically using a finite-difference technique for the pressure distribution in the bearing clearance. The theoretical results are computed numerically in dimensionless form for the load capacity, mass rate of flow and static stiffness for various bearing dimensions and supply conditions. The results are presented in the form of design charts as a function of the feeding parameter. The effect of tilt is to improve the load capacity and the mass rate of flow.     

新型动静压转台油膜力及动态特性研究

为研究新型动静压转台的油膜力分布与动特性变化情况,在充分考虑转台轴向速度产生的挤压流量的同时,基于流量平衡建立转台油膜力的数学模型,利用偏导数法推导转台轴向油膜刚度和阻尼的计算式。在固定负载和和恒定的供油压力下,分析转速对转台的静动特性的影响。分析结果表明:在固定负载和恒定的供油压力下,随着转速的增加,转台的油膜厚度逐渐减小,动压区的承载力逐渐增大,转台总泄漏量逐渐增加,转台轴向油膜刚度和阻尼均逐渐增大。所建的模型充分考虑了转台轴向速度产生的挤压流量,因而仿真计算更符合实际工况,为新型动静压转台的实际生产和性能研究提供理论支持。     

基于匀压和阻尼的空气静压轴承静态特性研究*

针对常规空气静压轴承设计时存在的承载能力、刚度与气动锤之间的矛盾,提出一种基于虚拟均压和被动阻尼设计方法。采用该方法设计一种含环布均压槽和阵列阻尼孔的矩形平面空气静压止推轴承,并研究其静态特性。研究结果表明：与常规空气静压轴承结构相比,设计的空气静压止推轴承在供气压力0.5 MPa下的最高承载力提高了43.4%,最高刚度提高了51.3%;减小阻尼孔数量、减小节流孔径、提高供气压力和增设均压槽可获得最佳刚度特性;增加阻尼孔数量、减小节流孔径、提高供气压力和增设均压槽可获得最佳静态特性和动态稳定特性的综合性能。     

轴承套圈冷辗加工过程有限元模拟分析

运用大型通用有限元程序 ,建立轴承套圈冷辗加工的力学模型 ,采用非线性Lagrange大变形有限元方法 ,对工件金属的弹塑性变形过程进行模拟分析。通过工件工作区的应力分布云图考察金属材料的塑性流动情况 ,分析冷辗成形的机理。观察模型加载后不同时间应力分布云图的变化 ,并对比不同尺寸的辗辊、以及大小不同的载荷对工件加工变形过程的影响。分析冷辗加工中经常出现的轴承套圈失圆等异常情况形成的原因