高速气浮轴承动静压耦合效应研究

采用有限体积法研究高速气浮轴承的动静压耦合效应.通过对高速气浮轴承内部流场的仿真分析,探讨轴承转速与偏心率对气浮轴承动静压耦合效应的影响.结果表明,基于有限体积法的三维模型可以有效地模拟动静压气浮轴承的内部流场,并与实际情况更加吻合;偏心率较小时,轴承的动静压耦合效应较小,其承载力随偏心率呈线性变化,偏心率较大时,动静压耦合效应增强,其承载力随偏心率呈非线性变化;随着偏心率和转速的增加,轴承的动静压耦合效应增强,从而对轴承气膜压力分布以及压力值的大小产生明显的影响.     

空气静压径向轴承动压效应对其承载能力的影响

建立空气静压径向轴承的理论模型,利用有限体积法分析软件,仿真分析了轴承处于旋转状态时,平均间隙和供气压力对轴承承载力和耗气量等特性参数的影响。结果表明:随着轴承转速的增加,空气静压径向轴承产生明显的动压效应;轴承的平均间隙越小,动压效应对轴承承载力的提高作用越明显;供气压力越大,纯静压润滑在动静压混合润滑中所占的比例越大,动压效应所占的比例越小。     

以制冷剂为工作介质的止推气体轴承静态特性分析*

针对离心式压缩机润滑问题,提出以R134a为润滑工质的动压气浮轴承,基于流体润滑的雷诺方程,从制冷剂与空气的流动对比出发,通过理论假设实现气体轴承的建模与分析,采用数值分析对气膜流场进行三维设计计算分析,得到动压止推轴承的气膜厚度分布、气膜压力分布、承载力、功率损耗等特性。结果表明:在相同的情况下以R134a为工质的气体轴承的承载力是空气的50%左右,两者的承载力都随着扇形瓦张角、转速的增大而增大,随倾斜面高度和节距比的增大而先增大后减小,随最小初始气膜厚度的增大而减小;在相同的情况下以R134a为工质的系统的功率损耗是空气的60%左右,两者系统的功率损耗受最小初始气膜厚度和速度的影响最大,转速越高、最小初始气膜厚度越小,两者的功率损耗越大。     

UHMWPE复合材料水润滑轴承润滑状态转变性能研究

水润滑轴承润滑介质的黏度较低,轴承动压润滑难以形成。研究水润滑轴承润滑状态转变特性,可为水润滑复合材料轴承的设计和优化提供依据。建立水润滑轴承流固耦合计算模型,研究轴承承载力、水膜压力、轴承变形量随工况的变化关系,提出水膜厚度测试方法,研究轴承摩擦因数、水膜厚度随转速、负载的变化规律。研究结果表明:随偏心率和转速增大,轴承承载力、最大水膜压力和最大变形量均逐渐增大;随转速增大,轴承承载力、最大水膜压力和最大变形量的增幅逐渐减小。试验发现随着负载增大,改性UHMWPE轴承从混合润滑向动压润滑转变的膜厚比逐渐减小。     

表面节流式动静压轴承的特性分析

从润滑原理入手,以经典的Reynolds理论为基础,使用有限差分方法,对表面节流式动静压轴承的压力场、结构参数对承载特性的影响进行了分析研究。结果表明:表面节流式动静压轴承在轴不旋转时具有明显的静压轴承特性;轴旋转时可以看到明显的油楔承载的动压效应;随着粘度的增大,轴承的承载力和刚度也相应增大,随着半径间隙的增大,承载力和刚度将显著的变小,供油压力的提高将会降低轴承的承载力和刚度,随着长径比的增大,刚度将有所提高。     

制冷压缩机径向气浮轴承的静态特性分析*

为研究以R134a为润滑工质的制冷压缩机径向气浮轴承的静态性能,基于流体润滑的雷诺方程,通过理论假设实现气体轴承的建模与分析,采用数值分析对三维气膜流场进行分析,得到动压轴承的气膜厚度分布、气膜压力分布、承载力、稳定性等特性,并与以空气为工质的径向气浮轴承进行比较。结果表明:在相同的情况下以R134a为工质的气体轴承的承载力比以空气为工质的小,两者的承载力都随着偏心率、轴承间隙、转速的增大而增大,所以在设计以R134a为工质的气浮轴承时,偏心率和轴承间隙都要比以空气为工质时偏大;以R134a为工质的转子系统的稳定性比以空气为工质的差,两者系统的稳定性都随着偏心率、转速的增大而趋于稳定,这表明要使转子系统获得相同的稳定性,以R134a为工质的气浮轴承要设计较大的偏心率。     

T型复合结构空气静压支承平台承载性能研究

为了深入研究空气静压轴承在径向和轴向复合工况下的承载性能和规律,设计并研制了一台T型复合结构空气静压支承平台装置。结合T型复合结构空气静压支承平台的三维模型,采用流体润滑理论和有限体积法对空气静压组合轴承与单独径向轴承进行了数值计算,研究了偏心率和供气压力以及转速等参数对空气静压轴承承载力和刚度的影响规律。结果表明：空气静压轴承随着偏心率和供气压力的增大其承载力呈逐渐增大规律;单独径向轴承的承载性能要优于组合轴承的承载性能。     

球面螺旋槽动静压气体轴承稳态承载力分析

建立半球螺旋槽气体动静压轴承润滑分析数学模型;通过建立广义坐标系并进行保角变换简化数学模型,利用广义斜坐标变换划分求解域球面网格,提高数值计算精度;采用有限差分法对控制方程离散,建立控制方程的差分表达式,并采用VC++6.0编程计算三维微气膜稳态气膜厚度和压力分布;通过对微气膜周向和径向压力积分,求得轴承稳态的承载能力;研究动压和静压的耦合效应,分析螺旋槽结构参数、节流孔的数量对轴承承载力的影响规律。结果表明:随着小孔个数的增加,静压效应显著增加,轴承的承载力明显增加;随着螺旋角、槽深比、槽宽比的增大,轴承的承载力均先增大后减小,表明通过轴承优化设计参数可改善气体的润滑特性,提高承载力。     

端面波对液体静压止推轴承静态特性的影响

由于加工误差的存在,轴承端面不可避免存在轴向跳动。为研究轴向跳动周期、幅值和相位对静压止推轴承性能的影响,仅考虑占主导地位的基频谐波跳动,将其纳入封油面间隙变化方程,通过构建止推轴承端面模型,模拟封油面间隙变化情况;采用有限差分法求解极坐标系下的雷诺方程,获得封油面上的压力分布,分析讨论了端面基波的周期、幅值和相位对静压止推轴承静态特性的影响。结果表明,当轴承结构参数不变时,随着转速提高,流量、承载力和动压比均随之增加,而静压腔压力则减小。相同转速时,随周期增大,流量减小,静压腔压力和承载力增加,动压比先增大后减小;随幅值增大,流量和动压比增大,静压腔压力和承载力减小;随相位增加,流量先增大后减小再增大,静压腔压力先减小后增大再减小,承载力和动压比先减小后增大。     

基于流固耦合的波箔动压气体轴承承载性能优化

基于有限元软件Ansys Workbench,建立波箔动压气体轴承在可压缩流体介质中运动的有限元模型,采用6DOF动网格计算方法对轴承的运动状态进行流固耦合数值模拟,探讨不同转速和波箔片结构参数（波箔的长度比、高度以及厚度）对轴承承载性能的影响规律。结果表明：轴承气膜压力大小的分布与平箔片变形量的大小成对应关系,说明提出的流固耦合方法能很好地反映波箔动压气体轴承的润滑状态;随着转速的增大,轴承动压效应不断增强,承载力增大,且平箔片的结构变形不断增大,致使气膜压力的收敛区发生波动;随着波箔的长度比和波箔片厚度的增加,轴承承载力先快速增大后趋于稳定,而波箔片高度对承载力影响不大,表明适当增加波箔的长度比和波箔片厚度可以提高承载力。     

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.     

向心透平发电膨胀机静压气体轴承设计与承载特性分析

为提升有机朗肯循环（organic Rankine cycle,ORC）系统向心透平发电膨胀机静压气体轴承的承载力与刚度,采用表压比法设计了以R245fa为润滑工质的静压气体轴承,分析转子偏心率、供气孔尺寸、进气压力对静压气体轴承承载力与刚度的影响。实验结果表明：在相同供气压力下,轴承承载力与刚度随着转速的增大而增大;在相同转速下,0.7 MPa供气压力相对于其他气体供气压力轴承的承载力与刚度略高;静压气体轴承的偏心率越大承载力越大;相同供气孔直径下,静压气体轴承的承载力与刚度随着转速的升高而升高;随供气孔直径增大,静压气体轴承的承载力和刚度也随之增大。     

以高压CO2为介质的推力箔片轴承静特性分析

针对超临界二氧化碳布雷顿循环用压缩机中的推力箔片轴承开展了数值研究,通过MATLAB编程数值计算求解变密度、变黏度湍流雷诺方程和耦合弹性箔片变形方程,得到楔形间隙内气膜压力分布及推力箔片轴承承载力和摩擦功耗,并与空气润滑介质对比;进一步分析推力箔片轴承节距比、瓦张角、楔形高度及最小气膜厚度对轴承承载力和摩擦功耗的影响。计算结果表明:高压CO₂下弹性箔片变形比常压空气时更大,轴承承载力远高于常压空气轴承;瓦张角为45°和节距比为0.5的推力箔片轴承具有较高的承载力和较低的摩擦功耗;楔形高度设计过大会降低承载力,增大摩擦功耗,使载荷集中在水平区域;增大最小气膜厚度设计值虽能减小摩擦功耗,但却引起承载力的显著降低。     

空气静压轴系支承的数值分析

采用有限差分技术,对精密轴系中的径向和轴向空气静压轴承进行了数值分析。主要针对有多个供气孔的径向轴承的复杂流场,沿周向展开承载曲面以雷诺方程为气体润滑的控制方程。同时根据质量守恒原理,制定出每个供气孔出口压力边界条件逐轮修正的迭代路线,计算出不同偏心率和供气压力下的压力分布、承载能力及流量。该技术成功地用于轴系支承精确设计并制造出精密模块化主轴轴系。     

Numerical Calculation of Rotation Effects on Hybrid Air Journal Bearings

Hybrid air journal bearings are of great importance in the precision engineering. Despite much progress, the influence of the aerostatic effect and the aerodynamic effect on the bearings is still not clear. Numerical calculation is a useful technique to evaluate bearing performance. Many theoretical problems related to Reynolds equation have been figured out by numerical simulation. The present study analyzes the effects of rotational speed—that is, the bearing speed number—on the performance of hybrid bearings. The behaviors of the pure aerostatic bearing and the pure aerodynamic bearing are investigated for comparison. The second-order finite difference method (FDM) and an iterative procedure are proposed to solve the Reynolds equation and derive the air film pressure distribution. The bearing characteristics such as load capacity, stiffness, friction coefficient, attitude angle, and mass inflow rate are taken into consideration. The research reveals the very dependence of the hybrid bearing's performance on the journal rotation and eccentricity ratio. The numerical results indicate that at a small bearing speed number of 0.223 and eccentricity ratio of 0.15, about 99.8% of the load capacity and 99.7% of the stiffness are determined by the aerostatic effect, whereas at a large bearing speed number of 2.229 and eccentricity ratio of 0.55, about 63.2% of the load capacity and 83.3% of the stiffness are determined by the aerodynamic effect.     

弹性箔片动压气体推力轴承承载性能研究

气弹耦合解是准确预测弹性箔片动压气体轴承承载性能的有效方法。通过引入箔片的弹性变形以及联立求解动压气体润滑Reynolds方程和弹性箔片的变形方程,给出了弹性箔片动压气体推力轴承的气弹耦合解。应用气弹耦合解理论,将顶层箔片的局部弹性变形纳入考虑范围,对弹性箔片动压气体推力轴承的承载性能进行了计算和分析。有限元数值仿真结果表明:顶层箔片在气膜压力作用下的局部弹性变形直接导致弹性箔片动压气体推力轴承承载能力的降低;根据轴承瓦块上气膜压力分布的特点合理设计支承拱箔的结构形式,可以减小顶层箔片的局部弹性变形,有效提高轴承的承载能力。得到了一种承载能力较高的弹性箔片动压气体推力轴承支承拱箔结构设计方案。     

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。     

主动静压气体润滑支承的研究进展

主动静压气体润滑支承可提高其承载力、动刚度和抗扰动能力,成为近期流体润滑学术界的研究热点问题。综述真空预载、电磁预载和压电主动控制的静压气体润滑支承研究现状,分析压电主动控制的静压气体润滑支承的研究进展以及存在的问题,指出主动固有节流器、主动控制节流器或气膜形状可控节流器相结合的主动气体润滑支承,是静压气体润滑支承研究的重点和未来主要发展方向。     

CFD based investigation on influence of orifice chamber shapes for the design of aerostatic thrust bearings at ultra-high speed spindles

The influences of six orifice chamber configurations on performance characteristics of aerostatic thrust bearings under various operating conditions are thoroughly studied using the computational fluid dynamics approach. Experiments are carried out to further verify the simulations. The obtained results show that there are many differences in performance behaviors of the aerostatic thrust bearing caused by different orifice chamber shapes. Further analysis represents that the pressure depression, gas vortices, and the turbulent intensity which are all weakened with decreasing air film thickness. The load capacity of the aerostatic thrust bearing slightly decreases with increasing rotational speeds of the spindle.