Performance Research on the Externally Pressurized Gas Journal Bearing under Different Working Gas Based on Finite Difference Method

利用有限差分方法编写一套可以用于分析动静压气体轴承性能的计算程序,并通过已有算例和试验验证本程序计算结果的可靠性.对不同润滑介质下静压轴颈轴承气体消耗量进行研究发现,不同分子量润滑介质下气体消耗量随偏心率变化表现出不同的变化规律,小分子润滑介质下气体消耗量与偏心率成正比,而大分子润滑介质下气体消耗量与偏心率成反比,并且此规律与节流小孔类型无关,小孔节流轴颈轴承气体消耗量大于环面节流类型轴颈轴承.相同供气压力和偏心率情况下,小分子润滑介质小孔节流轴颈轴承承载能力比环面节流类型轴承承载能力小,大分子润滑介质下正好相反.本程序方法为后来对俄罗斯油—气混合低温氦透平膨胀机气体轴承端改造奠定了理论基础.     

小孔节流静压气体轴颈轴承的静态特性研究

通过对小孔节流静压气体轴颈轴承润滑方程的分析,利用泛函求极值法将二阶偏微分方程降为一阶,采用有限元方法,利用三角单元线性插值函数,简化压力分布方程式的计算,对轴承的参数进行了优化,得到了轴承上各点的压力分布和轴承的承载能力和支承刚度,并分析了轴承间隙和偏心率等因素对承载能力和刚度的影响。     

几种不同结构的静压径向气体轴承性能分析

在空分及制冷领域,小型透平膨胀机的转速要求较高,传统的油润滑轴承受转速与温度等的限制不能满足要求,而高转速正是气体轴承的优良特点之一.该文根据现有的小型透平膨胀机的结构和工况参数,利用CFD软件,对不同供气孔直径和孔边距的双排孔径向供气环面节流静压气体轴颈轴承的性能进行了仿真分析.结果表明静压气体轴承在高速、大偏心率情况下动压效应很明显,并给出较优化的结构参数.     

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。     

小孔节流静压气体轴颈轴承主轴系统的动态特性分析

通过对小孔节流静压气体轴颈轴承的雷诺方程与描述主轴系统的动力学数学模型联立直接进行数值求解,分析了轴承系统的动力学特性,研究了在不平衡质量作用下轴承主轴系统的响应。结果表明,由于精密离心机小孔节流静压气体轴承的支承刚度大,承载能力高,旋转主轴的运动是稳定的。但在一定条件下,旋转主轴有可能出现不稳定现象,这取决于主轴绕固联坐标系各轴之转动惯量间的关系、轴承支承刚度、主轴旋转速度和不平衡质量控制等因素。该方法用于精密离心机静压气体轴承主轴系统动力学的数值计算,提高了计算精度和可靠性。     

精密机床静压气体轴承静特性分析及基本参数的优化

对精密机床气体轴承静特性进行理论分析,运用有限元法将雷诺方程离散化,得到静压气体轴承的承载能力、刚度以及供气量的计算公式。对某精密机床小孔节流静压气体轴承的静态特性进行分析,得到供气压力、偏心率、节流孔直径和刚度以及承载能力之间的关系曲线;通过优化分析,得到精密机床主轴前后静压气体轴承优化的结构参数和操作参数。     

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。     

静压气体轴颈轴承力学特性分析的解析-CFD混合方法

在静压气体轴颈轴承的力学性能分析中,工程解析方法使用方便,但由于众多假设的引入而使分析精度不足,单纯计算流体力学(Computational fluid dynamics,CFD)方法精度较高,但因数值建模复杂、模型规模巨大且计算难于收敛而使用不便。针对这两种方法各自的不足,建立小孔节流静压气体轴颈轴承力学特性分析的解析-CFD混合方法,该方法综合解析方法与CFD方法的优点,可在考虑详细气膜流场特性影响的情况下求出轴颈轴承的承载力与刚度。以特定的小孔节流空气静压支承轴颈轴承为例,分别基于解析-CFD混合方法和传统的工程解析法进行计算,并进行相应的试验测试。根据计算结果得到静压气体轴颈轴承的承载力与径向刚度,同时对工程解析方法、解析-CFD混合方法和实测结果进行比较,表明解析-CFD混合方法的计算结果更加接近实测值。     

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。     

小孔节流静压止推气体轴承静特性的数值分析

介绍了计算流体力学软件 FLUENT 及其在气体轴承研究中的应用.针对环形小孔节流静压止推气体轴承,基于 FLUENT 软件进行了简化假设并建立了计算模型,利用 FLUENT 软件对止推气体轴承模型进行了数值分析,求解了环形小孔节流静压止推气体轴承的压力场分布、耗气量和承载能力等轴承静特性,并成功捕捉到了大气膜间隙下供气孔周围的压力突降区.对计算结果进行了分析,并与文献计算值以及试验值进行了对比,验证了数值分析的可靠性.     

薄膜节流器动静混合径向气体轴承性能

对薄膜节流器动静混合径向气体轴承进行理论研究与数值仿真,建立薄膜节流器内气体流动模型并进行简化,采用流体阻抗法将薄膜节流器的流量表达式并与气体轴承小孔节流流量表达式联立,使用牛顿迭代法对非线性气体雷诺方程进行处理,采用有限差分法对上述方程进行离散化进而求解含有薄膜节流器小孔节流气体轴承的雷诺方程,得到薄膜节流器的气体流量分配规律,进而获得有转速和零转速下轴承承载力。数值仿真结果表明,节流器气腔高度和节流器出口直径是薄膜节流器设计的关键参数,气腔高度越小,节流器出口直径越小,承载能力越大;使用薄膜节流器后,各节流孔的入气压力均有所降低,但是各孔之间的入气压力差增大,进而显著提高气体轴承承载能力。     

人字槽狭缝节流动静压气体轴承的静态特性研究

针对人字槽狭缝节流动静压气体轴承,采用SolidWorks软件进行三维建模,采用ICEM软件分区对三维模型进行网格划分,运用ANSYS 环境下的Fluent 软件进行仿真求解。研究了轴承转速n、狭缝类型（连续狭缝与非连续狭缝）、狭缝数m、人字槽数N、偏心率ε等轴承参数对人字槽狭缝节流动静压气体轴承的静态特性的影响规律。结果表明：随着轴承转速的提高,轴承的静态特性提高,非连续狭缝和连续狭缝对人字槽动静压轴承的承载力、静刚度以及耗气量的影响趋势相同;从轴承的承载力、静刚度以及耗气量考虑,非连续狭缝的静态特性优于连续狭缝。当偏心率ε约为0.6,人字槽面积占轴承内壁表面积约为0.1,人字槽个数N为10~12,狭缝段数m为7以及狭缝宽度b1为16~18 μm时,人字槽狭缝节流动静压气体轴承的静态特性最佳。     

不同孔式节流器对圆盘止推气体轴承静特性的影响

采用保角变换有限元方法计算采用相同供气孔径的不同孔式节流器对静压圆盘止推气体轴承静特性(包括承载力特性、静刚度特性及流量特性)的影响。对承载力和流量特性的分析结果与Kazim ierski的研究结果一致,即:采用相同供气孔径的简单孔式和环形孔式节流器止推轴承,在其他几何参数和工作参数相同的条件下,前者的承载力系数高于后者,但后者的单位载荷气体消耗率要小于前者。对静刚度特性的分析结果表明,同尺寸供气孔径的简单孔式节流器与环形孔式节流器止推轴承,在其他几何参数和工作参数相同的条件下,可以实现的最大静刚度相当,但前者最大静刚度点对应的气膜高度大于后者,因此采用简单孔式节流器时,止推轴承的设计工作点对应的气膜高度可以大一些,这意味着可在一定程度上降低对轴承制造精度的要求。     

湍流润滑动静压气体径向滑动轴承性能研究

以动静压气体径向滑动轴承为研究对象,考虑湍流润滑,基于有限差分方法求解引入湍流因子改良的可压缩雷诺润滑方程,计算湍流润滑动静压气体径向滑动轴承的压力分布,获得轴承承载力、静态刚度、交叉刚度、主刚度、交叉阻尼和主阻尼等表征动静压轴承静动态特性的基本参数,并分析偏心率、槽深、槽数、长径比等结构参数及轴颈转速和供气压力等工况对轴承静动态性能的影响规律。结果表明：连续性狭缝湍流润滑动静压气体径向滑动轴承的静态特性优于非连续性狭缝;轴承承载力随着偏心率、长期径比的增大而增大,随着槽区长度、槽深的增大而减小,槽数对承载力影响不大;轴承静态刚度随着偏心率的增大先增大后减小,随着长径比、槽深、槽数的增大而增大,随着槽区长度的增大而减小;较大的转速和供气压力有助于提升轴承的承载力和静态刚度;随着偏心率的增大,交叉刚度逐渐增大,主刚度先增大而减小,而交叉阻尼和主阻尼均增大。     

A study of slot-entry hydrostatic/hybrid journal bearing using the finite element method

A theoretical study concerning the static and dynamic performance of hydrostatic/hybrid journal bearing compensated by slot restrictor has been presented using the finite element method (FEM). Results have been presented for a double row symmetric as well as asymmetric configurations for different values of slot width ratios (SWR) and external load ( ). In order to have a better understanding of their performance vis-à-vis other non-recessed bearing configurations, the performance characteristics of slot-entry journal bearings have been compared with that of similar hole-entry compensated journal bearings using capillary, orifice and constant flow valve restrictors for the same bearing geometric and operating parameters. The comparative study indicates that asymmetric slot-entry journal bearings provide an improved stability threshold speed margin compared with asymmetric hole entry journal bearings compensated by capillary, orifice and constant flow valve restrictors.     

Plane Vibration of the Inherently Compensated Gas Journal Bearing; Analysis and Comparison with Experiment

Lumped and distributed parameter analyses of the inherently compensated gas journal bearing are developed for small eccentricity ratios. Curves are presented for static and dynamic gas film forces and for bearing gas flow requirements. Experimental results are compared with the theories for the case of plane vibration.     

Performance analysis of a 2-lobe worn multirecess hybrid journal bearing system using different flow control devices

The paper reports a comparative study for the performance of a multirecess 2-lobe hybrid worn journal bearing system compensated with different flow control devices, such as capillary, constant flow valve, orifice and membrane restrictors. The Reynolds equation governing the flow of lubricant in the clearance space of a 2-lobe multirecess worn hybrid journal bearing system together with restrictor flow equation has been solved using Finite Element Method. The proposed results helps to the proper selection of the type of compensating device and the value of offset factor which provides an improved and accurate bearing performance.     

Performance of membrane compensated multirecess hydrostatic/hybrid flexible journal bearing system considering various recess shapes

The paper describes a theoretical study concerning the performance of an externally pressurized multirecess hydrostatic/hybrid flexible journal bearing system by varying the geometric shape of recess and using the membrane flow valve restrictor as a compensating element. The four different recess geometries of the bearing studied in the present study are a square recessed bearing, a circular recessed bearing, an elliptical recessed bearing and a triangular recessed bearing. The equation governing the flow of lubricant in a journal bearing together with 3D elasticity equation and restrictor flow equation are solved by using the Finite Element Method. The study describes the effect of recess shape, bearing flexibility and a method of compensation on the performance characteristics of a hydrostatic/hybrid journal bearing system. A comparative performance of the membrane compensated hydrostatic/hybrid journal bearing system has also been studied vis-à-vis capillary, orifice and constant flow valve restrictors. The results presented in this study amply demonstrate that the shape of recess/pocket of a hydrostatic/hybrid flexible journal bearing system affects the performance of the bearing quite appreciably and a proper selection of recess shape along with a suitable compensating device is needed to get an improved performance from the bearing.     

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。