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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

含均压槽静压止推气体轴承的气膜特性

采用ICEM建立含均压槽的静压止推气体轴承的气膜二维计算模型,分析不同供气压力和气膜厚度下的气膜压力、速度分布,并计算不同供气压力和气膜厚度下的承载力和气体质量流量。结果表明:随着供气压力和气膜厚度的增大,均压槽内的气旋现象越来越明显;随着供气压力的减小和气膜厚度的增大,气膜压力趋近于线性分布;轴承的承载力随着供气压力的增大而增大,气体流量随着供气压力和气膜厚度的增大而增大。均压槽是影响气膜压力和速度分布的关键因素,而均压槽内的气旋现象是影响均压槽内部流场的主要原因之一,而随着气膜厚度的增大均压槽的这种影响会而逐渐减小。     

气体静压节流器变形量的流固耦合数值分析

由于气体在气膜内部压力和温度的不均匀分布,将导致气体静压节流器的工作平面变形,在高精密和超高精密场合,这种变形不容忽略。采用ANSYS的单向流固耦合分析方法,研究了止推型气体静压节流器在不同供气压力、供气温度、气膜厚度、节流孔直径和节流孔长度下工作平面变形量的大小。研究结果表明:随着气膜厚度、供气压力和节流孔直径的增加,变形量增大;随着供气温度的降低,变形量增大;节流孔长度对变形量影响不大;在5个因素中供气温度是影响最大的因素。     

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。     

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。     

基于FLUENT的静压气体轴承节流孔系数研究

在通过求雷诺方程来研究静压气体轴承的特性时,通常假设节流孔系数为常数0.8,这可能会影响雷诺方程求解的精度。结合FLUENT软件和雷诺方程提出一种静压气体轴承节流孔系数的求解方法,该方法通过对比FLUENT和雷诺方程计算得到的质量流量求解节流孔系数;分析气膜厚度、供气压力、节流孔直径等参数对节流孔系数的影响。结果表明：节流孔系数随着膜厚的增加先增大后减少,随着供气压力的增大而减少,随着节流孔直径的增大而增大,但节流孔系数对轴承半径和节流孔长度的变化并不敏感。采用该节流孔系数求解雷诺方程得到的轴承承载力,与FLUENT计算得到的承载力结果基本一致,验证了该方法的正确性与可行性。     

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.     

基于流固耦合的气体静压止推轴承动态特性研究

为了研究气体静压止推轴承的动态特性,运用有限元分析软件ANSYS中的流体分析模块和瞬态力学模块进行双向流固耦合仿真,对小孔节流气体静压止推轴承的动态特性的相关影响因素进行研究,得到了不同状态下的轴承动态特性的变化曲线。结果表明:当轴承受到干扰负载时,通过提高供气孔压力、增加节流孔个数均可以减小轴承气膜的振动幅度,同时提高轴承的动态承载力和动态刚度;增大节流孔的直径则会增大轴承气膜的振动幅度,不利于轴承的稳定性。     

简单孔节流静压气体轴承优化设计的一种解析解法

静压气体轴承在工程中应用广泛,但其设计工作涉及的计算繁琐,工程中多采用图表法或数值计算法。为简化工程计算过程,也为研究气体轴承中各参数间的关系提供直观的分析依据,从解析角度研究了静压气体轴承的优化设计问题。以简单孔节流圆盘静压气体止推轴承为研究对象,以轴承刚度最大为优化准则,首先利用数值计算求出与供气压比对应的最佳节流压比,再利用最小二乘法拟合得到它们的解析关系式,以此为基础,进而求出最佳气膜厚度、最佳承载力、最大刚度和最佳气体流量的解析解,并与精确数值解进行了比较验证。得到的解析解,使气体轴承的工程设计简便、有效。     

微小孔阵列式空气静压止推轴承性能研究

采用FLUENT软件对不同孔径、不同孔数的微小孔阵列式节流空气静压轴承进行了三维CFD仿真,得到了微小孔阵列式节流空气静压轴承的气膜压力分布和气膜刚度等性能数据。结果表明:当节流器阵列小孔个数和直径不变时,气膜承载力与气膜厚度线性正相关;当气膜厚度不变时,节流器阵列小孔个数或直径增加,气膜承载力和轴承的平均承载力均随之增大,轴承刚度最大点对应的气膜厚度也增大;对比传统单孔节流器和微小孔阵列式节流器轴承的气膜压力分布可知,微小孔阵列式轴承的压力稳定性比传统单孔节流轴承有显著提高。     

均压槽气体静压轴承数值计算与静态性能分析

针对气体静压导轨承载力和刚度较低的问题,在导轨的工作面上设计横截面为矩形的直线形均压槽,分别研究均压槽的尺寸、节流孔的尺寸和个数以及供气压力对轴承静态性能的影响;建立轴承气膜的CFD(Computational Fluid Dynamics)模型,通过仿真计算得到轴承的质量流量,利用差膜计算方法得到轴承的承载力和刚度,分析不同结构参数下轴承承载力、刚度和质量流量的变化规律。分析结果表明:增加均压槽可以有效提高气体静压轴承的承载力和刚度,但轴承的耗气量也会增加;随着轴承偏心率的增大,轴承的承载力逐渐增大,轴承的刚度则先增大后减小,轴承的耗气量逐渐减小;均压槽的深度、节流孔的直径和个数以及供气压力对轴承承载性能的影响较大,而均压槽宽度和节流孔高度的影响则较小。     

静压球面气体轴承工作特性数值分析

针对传统的主控雷诺方程推导过程中使用的连续性方程在静压气体轴承的节流孔处并不适用的问题,对雷诺方程进行修正。基于保角变换方法、牛顿迭代法、有限差分法和松弛迭代法对轴承气膜流场区域修正雷诺方程进行计算,得到在不同供气压力下节流孔分布锥顶角处气膜压力沿周向的分布,分析供气压力、径向偏心率和节流孔直径对静压球面气体轴承径向承载力、轴向承载力和耗气量的影响。结果表明：静压球面气体轴承的径向和轴向承载力受到静压效应和动压效应的耦合影响;供气压力越大,径向和轴向承载力越大,耗气量量越大;径向偏心越大,径向和轴向承载力越大,径向偏心率对耗气量影响很小;节流孔直径越大,径向承载力、轴向承载力和耗气量越大。     

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.     

微型涡轮发动机圆锥气体轴承润滑性能研究

采用CATIA软件建立圆锥气体轴承气膜三维流场模型,对其进行结构体网格划分后导入Fluent软件进行流体力学模拟,得到三维流场的压力及气体流量分布;计算圆锥气体轴承的承载力大小,分析供气压力、气膜厚度、供气孔位置和供气孔直径对轴承性能的影响。研究结果表明:供气孔附近的压力及气体流速最大;供气压力及供气孔直径越大,轴承的承载力及气体流量越大;减小气膜厚度能有效提升轴承承载力且能节省气体消耗量;供气孔位置在一定范围内外移对轴承承载力影响不大,但在接近边缘时会明显降低轴承承载力,同时,供气孔位置的外移还会引起气体消耗量的增加。     

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。     

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.