小孔节流空气静压轴承位移阻抗性能*

为提升空气静压轴承对动载荷的抵抗能力，针对气膜-被支承件系统的位移阻抗性能进行研究，讨论轴承参数对位移阻抗的影响。首先采用数值仿真并结合动网格技术讨论轴承气膜的刚度、阻尼特性；然后对于气膜-被支承件系统的位移阻抗性能进行研究，基于径向基神经网络模型构建近似模型，讨论激励频率、孔径、气膜厚度、供气压力对位移阻抗的影响特性；最后基于优化设计，在不同给定激励频率下获取使轴承位移阻抗最大的参数组合，并就优化结果进一步对力学性能进行了讨论。研究表明：位移阻抗随频率增加而增加，其余参数对其具有非单调影响；在小气膜厚度下，位移阻抗更大，然而单纯增减供气压不能提升位移阻抗，即不能通过单纯调整供气压提升气膜抵抗动载荷的能力；由于位移阻抗直接反映气膜对动载荷的抵抗能力，因此基于优化设计提升位移阻抗，可以有效增强气膜对动载荷的抵抗能力，进一步提升轴承的动力学性能。相关优化建模流程可为以动力学性能提升为目的的轴承设计提供参考。     

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。     

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。     

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。     

气体静压高速电主轴稳定性研究

空气静压电主轴是高速精密数控加工机床的关键部件之一,其稳定性是影响高速数控机床的加工质量和切削性能的重要因素。主要研究空气静压电主轴的气锤振动与涡动失稳的机理和判定方法:以电主轴的静压止推轴承为例,推导了止推轴承产生气锤振动的判别式,利用软件仿真分析了止推轴承的节流孔直径、气腔半径、供气压力三个结构参数对气锤振动的影响规律;分析了涡动失衡的原理,从数值分析的角度,研究了涡动比与偏心率的关系,阻尼系数与涡动速度,阻尼系数与主轴的轴颈转速的关系,并提出了防止气锤振动和涡动失衡的有效措施。     

液体动静压球轴承轴心运动轨迹研究

为研究外载荷对轴承转子系统稳定性的影响,以小孔节流的液体动静压球轴承转子系统为研究对象,建立液体动静压球轴承转子系统动力学模型。通过求解轴承润滑数学模型获得非线性油膜力,分析转子所受到的外载荷,采用欧拉算法预测出轴心下一个时刻位移、速度和加速度,并分析转子系统质量、不平衡载荷和阶跃载荷对转子回转精度的影响。结果表明：随着转子系统质量的增加,所需平衡的油膜力增加,轴心振动幅度增加,从而导致转子回转精度降低;相对于不考虑不平衡载荷,考虑不平衡载荷后其振动形态为椭圆且振动幅值增大,减小不平衡值将减小振幅并提高旋转精度;随着阶跃载荷的增加,达到平衡所需的时间也增加。     

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。     

基于数值模拟的小孔节流空气静压轴承静动态特性研究

为了提高小孔节流空气静压轴承的静动态性能,基于流体力学和固体力学的基本控制方程,建立小孔节流空气静压轴承双向流固耦合数值模拟模型;采用静态数值模拟方法获取了设计参数对承载力和刚度的影响规律,进一步对微气膜间隙内三维流场特性进行了分析,有效降低了微气膜间隙内气体冗余现象对空气静压轴承动态稳定性的影响,并在数值计算的基础上对空气静压轴承结构和工作参数进行优化设计;在气体静压试验平台上对自行研制的空气静压轴承进行静动态特性测试。试验结果表明:所提出的数值模拟方法具有很好的预测效果;所采用的优化设计方法能够显著提升空气静压主轴的静动态特性。     

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。     

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。     

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。     

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。     

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.     

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...