有限体积法与正交试验法相结合的动静压轴承结构优化设计

针对小孔节流深浅腔动静压轴承的性能优化问题,基于平行平板扩散流动计算模型及流量守恒原理,推导了微元控制体边界压力的插值函数,提出了分析小孔节流深浅腔动静压轴承的油腔压力、承载力、静刚度、进油流量及温升等承载特性的有限体积计算方法。使用该方法研究了供油压力、主轴转速、进油孔径、浅腔深度、初始油膜厚度等参数对小孔节流深浅腔动静压轴承承载特性的影响规律,从而得到了以上相关参数的优化区间。在此基础上,采用四因素三水平的正交试验法,在满足多目标性能最优的前提下,得到了小孔节流深浅腔动静压轴承结构参数与工作参数的最优组合。以该组参数试制了小孔节流深浅腔动静压轴承并建立了试验平台,测量了不同转速及供油压力下油腔的压力值。试验结果表明,轴承油腔压力试验数据及理论计算值随主轴转速的变化趋势一致;误差在11%以内。验证了有限体积法与正交试验法相结合的动静压轴承结构优化设计方法的正确性。     

小孔节流深浅腔动静压气体轴承承载特性分析

以小孔节流深浅腔动静压气体轴承为研究对象,采用Fluent软件对轴承的承载特性进行分析,研究偏心率、供气压力、主轴转速、气膜厚度、浅腔深度比等因素对轴承承载力和刚度的影响。结果表明:小孔节流深浅腔动静压气体轴承浅腔区的平均压力大于深腔区的平均压力,压力最大区域出现在浅腔末端靠近轴承端面处;随着供气压力的增加,承载力逐渐增大,但供气压力不应超过0.95 MPa;当主轴转速在3×10⁵ r/min以内时,承载力和刚度随着转速的增加呈线性增长规律,当主轴转速超过3×10⁵ r/min继续增加时,承载力和刚度的增长趋势明显放缓;承载力与刚度随着浅腔深度比的增加先增大后减小,当浅腔深度是气膜厚度的1～1.5倍时,承载力与刚度接近最大值。     

不同节流方式的滑动轴承油膜静态性能求解

针对毛细管、小孔、滑阀反馈和薄膜反馈4种节流方式,结合三油腔动静压混合油膜轴承及四油腔静压轴承,建立了轴承油膜静态性能求解的数学模型。从Reynolds方程的离散、间隙函数数学模型的建立、边界条件的确定、连续性方程的建立、不同节流方式的进油流量数学模型的推导、轴承的承载能力及温升等方面分析了轴承油膜静态性能的求解。计算结果表明:采用毛细管和小孔节流轴承的承载能力和油膜刚度较低;而采用滑阀反馈和薄膜反馈节流轴承具有较高的油膜刚度和承载能力。     

液体动静压轴承结构多目标优化设计

动静压轴承广泛应用于超高速切削电主轴,其工作性能对电主轴的可靠性及加工精度具有直接影响。传统动静压轴承设计以满足设计要求为原则,无法确保轴承的最优使用性能。为此以深浅腔体液动静压轴承为对象,对轴承结构的多目标优化设计进行研究。以轴承温升最小、油膜刚度及承载能力最大为目标函数,以浅腔深度、初始油膜厚度、进油孔径为设计变量,将参数取值范围作为限制条件,依托遗传算法,对动静压轴承开展优化设计,探寻最优方案。在对优化前后进行比较分析后发现,与优化前相比,动静压轴承油液温升、油膜刚度及承载能力在优化后均得到了改善,说明本次优化设计具有可行性。     

基于小孔节流的静压油膜轴承动态特性分析

静压轴承的动静态特性在很大程度上受到节流装置的影响,以小孔节流的静压轴承为研究对象,开展其动态特性理论的研究。利用两平行平板缝隙液体流量公式推导了轴承油腔流出的流量数学模型,并充分考虑了主轴转子速度对流量的影响因素,使之更符合实际工况;在对小孔节流后流入轴承油腔的流量方程进行线性化处理的基础上,建立了静压轴承系统的流量连续性方程;结合轴承-主轴系统动力学方程,推导出小孔节流的静压轴承系统动态特性的传递函数,分析了小孔节流静压轴承系统的动态特性。结果表明:小孔节流的四油腔静压轴承动态响应速度在0.06~0.12 s范围内变化,增大供油压力、油腔承载面积、主轴转速及减小油膜粘度、油膜间隙等均有助于提高轴承系统的响应速度。研究结果对于指导工程设计具有一定的参考价值。     

高速高压圆弧齿轮泵滑动轴承油膜特性研究

以用于补偿高速高压圆弧齿轮泵不平衡径向力的滑动轴承为研究对象，在对其进行理论建模和分析的基础上，利用计算流体动力学软件Fluent分析相同工况下不同初始油膜厚度、进油口直径、进油口角度、轴向封油边宽度、油腔深度等结构参数对滑动轴承油膜特性的影响，并在此基础上对轴承结构参数进行了优化，最后通过实验进行验证。研究结果表明：初始油膜厚度和进油口角度对轴承温升影响显著，初始油膜厚度或进油口角度的增加使滑动轴承温升明显减小；轴向封油边的增加使轴承承载面增大，轴承承载力和温升也随之增大；进油口直径取1.7 mm和静压槽深度取1 mm时，使轴承温升达到最低；在负载压力15 MPa、转速6000 r/min工况下，与安装未优化滑动轴承的齿轮泵相比，安装优化后滑动轴承的齿轮泵温度降低5℃。     

高效精密磨床砂轮主轴深浅腔动静压轴承静特性分析

阐述用于高效精密磨床砂轮主轴的HSDB-R深浅腔动静压轴承的原理;建立基于Navier-Stokes方程的轴承油膜流体力学控制方程,采用基于有限体积法的三维流体力学仿真软件FLUENT分析轴承工作参数和结构参数对轴承承载能力、刚度、温升等性能的影响;对比"一"字和"匡"字2种油腔结构形式对于轴承刚度及温度分布的影响。结果表明:"一"字油腔结构能够提高轴承承载力和刚度,"匡"字油腔结构有助于降低轴承温升。     

可控节流参数对液体静压轴承特性的影响研究

节流器是液体静压主轴的核心元件,其节流特性对液体静压主轴的刚度和回转精度具有直接影响。针对现有节流器在主轴工作时节流特性不可控的不足,提出一款预压预调型可控节流器。在分析可控节流器工作原理和节流特性基础上,根据流体润滑理论,建立基于可控节流器的液体静压轴承承载性能的理论模型,研究可控节流器供油压力、弹簧刚度和控制油腔压力等参数对液体静压轴承承载性能的影响规律,并与固定节流液体静压轴承的承载性能进行对比。研究发现,在其他结构参数及工作参数一定的条件下,可控节流器能够显著地提高液体静压轴承的油膜刚度;在不同偏心率条件下,可控节流液体静压轴承的最佳油膜刚度对应的节流参数不同。在开发的液体静压电主轴试验台上进行了试验研究,通过对油腔压力和油膜刚度的理论计算值与试验测量值的对比,证实了可控节流方案的有效性。     

氧气压缩机重载荷曲轴用小孔节流静压轴承的设计

提出用剖分结构的静压轴承作为氧气压缩机曲轴支承轴承,取代轴瓦剖分形式的滑动轴承.设计了剖分式静压轴承结构和节流方式,确定该静压轴承的各项参数,分析了油腔、小孔结构对静压轴承的轴承刚度、功耗以及承载能力的影响.结果表明采用小孔静压轴承避免了普通滑动轴承工作时的干摩擦,实现了真正的油膜润滑;当小孔直径选择适当数值时,不仅可获得较大的承载刚度,并且具有较小的摩擦功耗.     

液体动静压轴承油膜的压力场和温度场分析

针对深浅腔液体动静压轴承的承载特性等问题,对液体动静压轴承的油膜压力场和温度场进行了仿真分析。以超高速磨削电主轴系统中常用的深浅腔液体动静压轴承为研究对象,建立了液体动静压轴承油膜的三维有限元模型,对油膜进行了网格划分,并对划分后的网格进行了质量评定;采用动网格技术实现了对油膜偏心率的变更,在不同主轴转速、偏心率的工作条件下,计算了深浅腔动静压轴承油膜压力和温度的分布情况,分析了其油膜压力分布和温度分布的变化规律;研究了转速、偏心率对动静压轴承的承载力和油膜温升的影响规律。研究结果表明:在深浅腔液体动静压轴承运转过程中,随着转速和偏心率的提高,油膜承载力和温升也随之提高,且转速对油膜温升的影响要比偏心率大。     

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。     

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。     

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。     

Influence of wear on the performance of a multirecess conical hybrid journal bearing compensated with orifice restrictor

In the present work, an analytical study concerning the influence of wear on the performance of a four-pocket hybrid conical journal bearing compensated with an orifice restrictor has been presented. The Reynolds equation governing the flow of lubricant in the clearance space of bearing has been solved using FEM and the Newton Raphson method. The static and dynamic performance characteristics have been presented for the various values of external load, wear depth parameter and for the various values of semi-cone angle. The numerically simulated results suggest that, the performance of the conical bearing is greatly affected by the wear defect.     

多种节流形式的动静压轴承有限元—优化分析

在动静压轴承有限元分析的基础上对其不同的节流形式进行了优化计算 ,建立了有限元—优化迭代的计算模型 ,给出了浅腔相当节流比和相当节流液阻的计算方法 ,编制了计算机程序 ,得到了主要设计变量的优化结果     

复合节流式静压气体轴承静态特性分析

为进一步提升静压气体轴承的静态性能,以普通孔式节流为基础,配合表面周向和径向槽节流,提出复合节流式静压气体轴承,以充分发挥2种节流方式的优点,使静压气体轴承具有更好的承载能力和刚度。利用Fluent计算轴承内流场参数并分析流场特性,比较复合节流式与普通孔式节流静压气体轴承的承载能力和刚度,并研究孔式参数和表面槽参数对复合节流式静压气体轴承静态特性的影响。结果表明：在一定气膜厚度范围内,复合节流式静压气体轴承对于提升承载力、增强刚度有着显著的效果;复合式节流因为有表面槽二次节流的存在,均压效果更好。增加节流孔数、节流孔直径、节流孔分布圆半径,以及在气膜厚度较小时增加表面槽长、槽宽、槽深,均有利于增加轴承承载力;在气膜厚度较小时,增加节流孔数、减小节流孔直径,以及增加表面槽长和槽宽、降低槽深,均有利于增加轴承刚度。     

Experimental investigation into the performance of an aerostatic industrial thrust bearing

Load and flow versus air-gap curves and stability maps have been obtained for an industrial externally-pressurized air-lubricated thrust bearing with a central restrictor. Supply pressure and pocket depth were treated as parameters. Bearing stiffness was estimated by using a computer to fit a polynomial type curve to the test data. The results show that whereas the effect of inserting a pocket into the bearing improves its load capacity, there is no significant improvement in film stiffness at design conditions. The suggestion is made that the diameter of the orifice in the restrictor should be increased. As pocket depth is increased beyond the design value the bearing becomes prone to pneumatic hammer.