微孔阵列式空气静压径向轴承特性研究及结构优化

采用CFD软件Ansys flotran对不同结构参数的微孔阵列式空气静压径向轴承进行全参数三维实体建模,分析微孔阵列式节流器的微孔个数、节流器微孔直径、平均半径间隙以及节流器轴向位置对空气静压径向轴承静态特性的影响。结果表明：在一定范围内,增加节流器微孔个数能显著提高轴承承载力和刚度;当平均半径间隙一定时,减小节流微孔直径可以提高轴承承载力和刚度;存在最佳的平均半径间隙使得轴承的承载力最大,轴承刚度则随平均半径间隙的减小而增大;存在最佳的节流器轴向位置使得轴承承载力和刚度最大。利用上述结论可实现微孔阵列式径向轴承的结构参数优化。     

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。     

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。     

环形多孔节流空气静压轴承气膜流场分析

为提高空气静压轴承工作的稳定性,设计一种环形多孔节流空气静压轴承,建立其物理模型,并采用大涡模拟方法对轴承节流孔出口处附近计算区域的气膜流场进行分析。结果表明：空气静压轴承气膜压力在节流孔的出口附近气膜间隙上出现分离,但在远离节流孔的出口气膜压力曲线是重合的;节流孔数为9时轴承节流孔出口处的最大压降幅度为节流孔数为1时的26%左右,最大速度突升幅度为节流孔数为1时的43%左右,表明增加节流孔的孔数可以显著减小节流孔的出口附近压力的突降、速度的突升,提高轴承工作稳定性;在空气静压轴承工作过程中,节流孔出口处附近压力和速度的突变会产生微振动现象,而采用环形多孔节流可显著降低微振动现象。     

多孔集成节流器空气静压轴承承载性能计算与分析

为进一步提升空气静压轴承的承载性能,提出一种具有多孔集成节流器的空气静压轴承。在极坐标系下推导空气静压轴承的控制方程并运用有限差分法进行数值离散,运用超松弛数值迭代方法对空气静压轴承的气膜压力和承载力进行数值求解。结果表明:空气静压轴承气膜内的压力分布随着轴承间隙的增大而减小,空气静压轴承承载力随着轴承间隙的减小逐渐增大;随着多孔集成节流器的节流孔数量的增加其最大承载力逐渐增大,但当节流孔数量增大到一定程度后,最大承载力增加不明显;在节流孔边缘外处会产生气旋现象,气旋和气体流速随着轴承间隙的减小而减小。     

小孔节流器导向锥角对空气静压轴承性能的影响

研究发现小孔节流器导向锥角也是影响空气静压轴承动静态性能的重要因素之一,且导向锥角大小在加工中易于控制。为揭示导向锥角的大小对轴承动静态性能的影响规律,通过建立空气静压止推轴承节流器理论模型,利用FLUENT软件,对不同导向锥角节流器出口的压力分布和气腔内涡核分布进行有限元模拟;结合DOE仿真实验,获得了不同导向锥角下轴承的静态特性曲线。结果表明:减小节流器导向锥角,可以减缓节流孔出口压力骤降,气腔内涡核数量减少;随着导向锥角的增大,轴承的承载力和质量流量减小,而轴承刚度在小幅度增加后趋于一致。因此,使用小导向锥角的节流器可有效地提高轴承的稳定性和承载力。     

带浅腔的空气静压轴承节流孔出口处流场计算与分析

为了进一步揭示具有浅腔的空气静压轴承节流孔出口处气膜流场的影响因素和规律,建立空气静压轴承节流孔出口处的物理模型,采用Laminar、k-ω以及k-ε3种模型对空气静压轴承节流孔出口处气膜流场区域的NS方程进行数值计算,分析气膜间隙和供气压力对节流孔出口处气膜流场的影响。结果表明：空气静压轴承在节流孔出口处存在压力陡降现象,在气膜浅腔与气膜间隙交界处的陡降更为明显,这对精密运动机构和精密测量设备的精度和稳定产生一定影响;3种计算模型的计算结果有较好的一致性,Laminal模型和k-ω模型数值计算结果更为接近;随着空气静压轴承气膜间隙和供气压力的增大,其节流孔出口处的压力陡降和马赫数剧升幅度也随之增大。     

空气静压轴承气旋机理及其影响因素分析

为了降低空气静压轴承节流孔内气旋导致的轴承微振动,提高轴承稳定性和超精密加工精度,这里根据冲击射流的气流流动结构特征划分了气流流场区域,利用大涡模拟对不同区域的气流瞬时流动情况进行了仿真,研究了气旋的产生和发展规律,并从冲量原理、压力变化等方面分析了气旋导致微振动的机理.进一步从稳态和瞬态两方面研究了不同供气压力和压力腔形状对气旋强度的影响.研究表明,微振动的产生是由于阻滞区域、压力腔径向流动区的气旋以及在壁面射流区处压力腔出口形成的湍动能和压力波动.随着供气压力的增加,气旋强度增加,不同形状的压力腔对气旋强度影响较大,据此可选择较优的压力腔形状.研究成果为空气静压轴承的设计提供理论依据.     

双向均压槽节流静压气体轴承静态特性分析

为进一步优化径向静压气体轴承的静态性能,提出在传统小孔节流的基础上配合开设轴向和周向均压槽的复合节流式静压气体径向轴承。利用Fluent软件对比分析传统孔式节流与不同形式复合节流静压气体轴承的静态特〖JP2〗性,探究均压槽截面形状及供气压力对轴承静态特性的影响规律;利用正交试验探究节流器各结构参数对承载特性的影响。结果表明：复合节流式静压气体轴承在一定程度上提升了轴承的静态性能,其中均压槽以“口”字形布置以及截面形状为矩形时效果最优;供气压力的增大也可提升轴承静态特性;节流孔直径和均压槽深度对轴承静态特性的影响要大于节流孔深度和均压槽宽度,节流孔直径以及均压槽深度的增大均使得承载力与刚度呈现出先增大后减小的趋势。     

伴随孔对小孔节流气体静压轴承内部气旋现象的抑制

气浮轴承的微振动现象严重制约轴承工作精度的提高,而轴承压力腔内部的气旋现象是轴承存在微振动的主要原因。为抑制气旋现象,提出一种带伴随孔的复合节流静压止推轴承,采用数值模拟的方法研究伴随孔的直径和位置对气旋的抑制作用以及对轴承静态性能的影响。结果表明：采用主进气孔与增加伴随孔的复合节流方式会使承载力和出口流量小幅下降,但带伴随孔的复合节流静压止推轴承对压力腔内的气旋现象有明显的抑制作用;其他条件不变,随伴随孔直径及伴随孔与主进气孔轴线间距的增大,承载力与出口流量总体呈现先下降再上升的趋势;随伴随孔直径的增大,轴承压力腔内气旋受到的抑制效果先增强后减弱,随着小孔与主孔距离的增大,对气体旋的抑制作用不断减弱。     

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。     

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。     

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。     

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。     

双排均布孔止推气体轴承参数正交实验研究

针对有均压腔的双排均布孔静压止推气体轴承刚度不足的弱点,对其结构参数进行正交实验设计,并用Fluent静态仿真进行计算,最后对计算结果进行方差分析,找出对轴承刚度影响显著的因素及规律。结果表明:节流孔直径与均压腔直径是影响轴承刚度的主要因素,均压腔深度、节流孔深度、供气孔直径、供气孔深度是影响轴承刚度的次要因素;随着气膜高度的增加均压腔的直径对轴承刚度的影响逐渐超过节流孔直径对轴承刚度的影响,随着气膜高度的继续增加,均压腔的直径对轴承刚度的影响逐渐减小;气膜的高度越大,轴承在越大的节流孔直径、越大的均压腔深度下获得最佳的刚度;气膜的高度越小,轴承在越小的节流孔直径、越小的均压腔深度下获得最佳的刚度。     

进口效应对小孔节流静压空气轴承静特性的影响

小孔节流空气静压轴承中,由于进口效应现象的存在导致轴承气膜内实际压力分布不再符合传统的层流假设。以气体润滑理论为基础,建立完整描述轴承气膜的数学模型,寻找导致小孔节流空气静压止推轴承中进口效应的形成原因,分析供气孔处气腔直径和气腔深度不同对轴承表面压力分布和轴承静载荷能力的影响规律,通过数值计算和试验对比对理论分析的结果给予验证。     

小孔节流结构对径向静压空气轴承承载力的影响

建立小孔节流径向静压空气轴承的计算模型,利用ANSYS CFX软件数值模拟方法计算轴承承载力,并通过实验验证数值计算的准确性;分析节流孔径、节流气腔直径和气腔深度对轴承承载力的影响规律。结果表明：利用CFX计算小孔节流径向静压空气轴承承载力的方法是可行的,可以有效地分析气体在小孔节流结构内的复杂流动;小孔节流结构参数对轴承承载力影响较大,随节流孔径增加,承载力先增大后减小,随节流气腔直径和气腔深度增加,轴承承载力均先增大后基本保持稳定。     

空气静压轴承中活动环式主动节流器探讨

针对空气静压轴承刚度低的缺点,提出了一种主动节流器。通过这种主动节流器对空气轴承进行压力反馈控制,达到提高轴承刚度的目的。理论分析和计算表明,在一定的载荷范围内,具有这种主动节流器的空气静压轴承能达到无穷大刚度。     

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。     

微织构作用下环面节流器节流系数研究

前期实验研究中发现微织构对高速水润滑动静压轴承轴颈有显著的抑振作用,为了研究微织构的抑振机制,从微织构对节流系数的影响方面进行探讨。采用Fluent建立微织构作用下高速水润滑动静压轴承环面节流器的CFD模型,研究微织构的密度、压力差和轴颈线速度对节流系数的影响。结果表明:在微织构作用下高速水润滑动静压轴承的节流系数有显著降低,进而影响了轴承的流场状态和润滑性能,对轴承的振动有一定的抑制作用。根据轴承的转速及承载力工作要求,合理设计微织构密度及压力差,能够在降低轴承节流系数的同时提高轴承的承载力;微织构作用下轴承的节流系数发生改变,同时改变了流场状态,表明在高速水润滑动静压轴承性能计算中,根据实际流场来确定节流系数是很有必要的。