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。     

空气静压导轨气膜波动主要影响因素分析

针对空气静压导轨运动过程中出现的气膜波动问题,研究溜板气腔结构、节流器直径、供气压强对气膜内气旋及气膜波动的影响。通过仿真数据的对比分析发现气旋现象与气膜波动存在紧密的联系。从仿真结果得到了对气膜波动产生影响的因素有:节流孔的直径、气腔的结构形状和供气压强的大小。在上述的这些影响因素中供气压强的大小对气膜波动影响较大,最后试验对得出的这一结论进行了验证,与仿真结果吻合。这些分析为从导轨结构和工艺参数上对空气静压导轨的气膜波动进行抑制,提高导轨的稳定性及加工精度提供了理论依据。     

多因素影响下空气静压轴承静态特性分析及实验研究

由于空气静压主轴气膜厚度处于微米级别,而主轴中的不平衡现象会影响轴承内的气膜厚度变化,因而需要对各微尺度影响因素综合考虑,并对影响主轴不平衡的各因素进行充分考虑才能真实反映主轴内的气膜流动状态,仿真出轴承的静态性能。充分考虑影响主轴不平衡的各因素并对传统雷诺方程进行修正,研究黏度、流量因子、速度滑移3个微尺度因子及转子偏心和制造误差对轴承静态性能的影响,并通过实验验证从而实现对空气静压主轴静态特性的真实预测和分析。结果表明：3个微尺度因子中,速度滑移对轴承气体压力分布影响最大,同时考虑3个微尺度因子时更能反映轴承气膜流动真实状态;转子偏心与制造误差耦合时,随转子偏心率增大,轴承中各节流孔附近的气膜压力分布与气膜刚度差异越来越大,将严重影响轴承气膜刚度。     

节流孔特性对静压干气密封性能的影响

为提高静压干气密封性能,将节流孔流量项引入到气膜润滑方程,建立改进的N-S方程。利用泛函求极值算法和有限元法,用MATLAB编制相应的计算程序,在节流孔直径和端面间隙变化的条件下进行数值计算,分析气膜厚度、气源压力、节流孔个数和直径对端面开启力和气膜刚度的影响,以及端面压力分布情况。计算结果表明:密封气在流经节流孔后形成显著的压力降,气膜刚度随节流孔径增大而减小,随气源压力增大而增大;端面压力在节流孔处最高,向四周逐渐下降;开启力总体随端面间隙增大而减小,随气源压力增大而增大,端面间隙在2.6~10μm时,开启力随间隙增大而迅速减小,端面气膜具有较大的刚度。     

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.     

空气静压止推轴承环面节流孔出口流场数值分析

通过计算流体力学方法对小气膜间隙下环面节流孔出口处气旋大小和压力值与气膜间隙的关系进行数值分析,研究气膜间隙内的压力分布状态,仿真结果表明:节流孔出口处压力最小值位于节流孔边缘靠外一点;气膜间隙内压力值随着半径的增加,先陡降再迅速回升,最后呈线性下降;在节流孔出口处气膜间隙上、下表面出现压力差,气膜间隙越小,上、下表面压力值趋于一致处距节流孔中心距离越近;节流孔出口处气旋大小和气膜间隙内工作面压力降幅与气膜间隙成正比。     

单供气孔静压球面气体轴承特性分析

为探究静压球面气体轴承的工作特性,以单供气孔静压球面气体轴承为研究对象,建立轴承的气膜模型,使用有限元软件进行仿真计算,研究球窝包角、平均气膜厚度、供气孔直径和供气压力对轴承承载力、耗气量和气膜间隙内最大气流速度的影响规律。结果表明：球窝包角越大,轴承的承载力越大,球窝包角的变化对轴承耗气量和气膜间隙内最大气流速度影响很小;平均气膜厚度越小,轴承的承载力越大,轴承的耗气量和气膜间隙内气流最大速度越小;供气孔直径越大,轴承的承载力和耗气量越大,气膜间隙内最大气流速度越小;随着供气压力的增加,轴承的承载力、耗气量和气膜间隙内最大气流速度均增加。     

空气静压导轨气膜波动的辨识

空气静压导轨的气膜波动已成为超精密加工工件波纹度的主要影响因素.为分析空气静压导轨性能,利用雷诺方程推导出双排节流孔结构形式的空气静压导轨气膜刚度计算公式,并对相应空气静压导轨进行静态刚度检测试验以验证建立的导轨气膜刚度模型的正确性与可行性.结合静压导轨的模态分析结果,建立空气静压导轨的动力学模型.根据气浮导轨系统的动力学方程,给出气浮溜板刚度及其在加工过程中随气膜厚度变化的波动频率的仿真步骤和结果,根据引起的振动幅值分析气膜波动对加工结果的影响.利用小波变换把加工工件面形检测结果分解为各尺度下低频信号和高频信号,并把各尺度下高频信号做功率谱密度分析,从导轨气膜波动频率出发辨识出导轨气膜波动信号所在的尺度,根据相应的功率谱密度幅值推导出对加工结果的影响程度.     

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。     

应用有限体积法研究空气静压导轨力学特性

研究了润滑气膜的主要力学参数.引入有限体积法,应用理想气体等温条件下的k-ε模型封闭控制方程组对润滑气膜的力学特性进行数值分析,得出不同气膜厚度下导轨工作面上的压强分布规律.数值结果表明:导轨内气膜从节流孔沿工作面到导轨边缘的压强分布规律并非按雷诺润滑方程均匀递减变化,而是在节流孔附近存在半径约为500μm的负压区;在静压导轨气膜厚度与承载力分析的基础上,指出气膜与导轨间的气固耦合所引发的导轨弹性自激振动是静压导轨实现纳米级定位的主要制约因素.本项研究为导轨自激振动抑制、气膜振幅减小乃至空气静压导轨整体精度提高等工作做了有益探索.     

动静压混合式密封在液氧泵中应用的关键技术研究

为解决液氧/煤油火箭发动机液氧泵用端面密封存在的磨损问题,提出采用动静压混合式密封的设计思路,并对关键技术进行研究,给出混合式密封液膜密封和气膜密封的一般选用原则,基于数值计算的方法研究静压结构参数对密封气膜刚度和泄漏率的影响规律。结果表明：随着节流孔直径的增加,密封气膜刚度和泄漏率均增加,通常建议节流孔直径的取值范围为0.2~0.3 mm;当均压槽深度从0.1~0.5 mm变化时,密封气膜刚度和泄漏率均保持不变;随着均压槽宽度的增加,密封气膜刚度降低,泄漏率则呈线性增加,通常建议压槽宽度取值范围为0.3~0.6 mm。     

液氧泵用动静压混合式密封关键技术研究

为解决液氧/煤油火箭发动机液氧泵用端面密封存在的磨损问题,提出采用动静压混合式密封的设计思路,并对关键技术进行研究,给出混合式密封液膜密封和气膜密封的一般选用原则,基于数值计算的方法研究静压结构参数对密封气膜刚度和泄漏率的影响规律。结果表明:随着节流孔直径的增加,密封气膜刚度和泄漏率均增加,通常建议节流孔直径的取值范围为0.2~0.3 mm;当均压槽深度从0.1~0.5 mm变化时,密封气膜刚度和泄漏率均保持不变;随着均压槽宽度的增加,密封气膜刚度降低,泄漏率则呈线性增加,通常建议压槽宽度取值范围为0.3~0.6 mm。     

应用有限体积法空气静压导轨力学特性的研究

空气静压润滑是精密工程领域的关键技术之一,润滑气膜的压强分布、承载能力、刚度等力学特性是决定导轨稳定性的主要因素。目前,空气静压导轨设计中常采用简化雷诺方程的工程计算方法,存在静态性能误差大的特点。本文针对润滑气膜的压强分布规律、承载力等主要力学特性参数进行研究。基于节流孔出射气流为冲击射流,引入计算流体力学的有限体积法,应用理想气体等温条件下的k-ε模型封闭控制方程组对润滑气膜的力学特性进行数值分析,得出不同气膜厚度下空气静压导轨工作面上的压强分布规律。数值结果表明：导轨内气膜从节流孔沿工作面到导轨边缘的压强分布规律非雷诺润滑方程所给出的均匀递减变化,而是在节流孔附近存在半径约为500µm的负压区、峰值约为0.05MPa;在静压导轨气膜厚度与承载力分析的基础上,指出气膜与导轨间的气固耦合所引发的导轨弹性自激振动是空气静压导轨实现纳米级定位的主要制约因素。     

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。     

新型气体静压支承技术的研究

介绍了气体静压支承的工作原理,针对精密加工设备开式气体静压支承工作过程中存在的漂移和运动不稳定问题,提出采用负压发生器与节流器相结合的新型负压吸附静压支承技术,应用仿真软件对负压吸附静压支承中的小孔节流和多孔质节流形式进行了分析探讨,分析了负压吸附静压支承的工作原理、间隙压力计算方程和气膜刚度的计算;通过试验测试分析该技术,保证了开式气体静压导轨所需的气膜厚度和刚度;将该技术应用到精密数控机床导轨中,使机床抗振性和运动精度得到提高。     

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。     

狭缝和气膜尺寸对气浮陀螺仪涡流力矩的影响

为提高气浮陀螺仪漂移精度,采用有限元方法,研究狭缝宽度和浮子轴颈气膜厚度对气浮陀螺仪承载力、刚度以及涡流力矩的影响.结果表明,节流狭缝宽度和气膜厚度对气浮轴承承载力、刚度和涡流力矩等特性影响显著.在狭缝宽度为5-15μm和气膜厚度为10-30 μm的区间内,通过分析两者的数值对气浮陀螺仪刚度和涡流力矩的影响,得到狭缝宽度和气膜厚度的合理匹配关系.并考虑加工难易程度以及制造误差对涡流力矩的影响,得出合理的数值匹配,即狭缝宽度为7～8 μm和轴颈气膜厚度为15～18 μm.     

带有锥形气腔的平面气浮轴承的流场计算分析

该文采用纯黏性润滑方程和层流N-S方程,对带有锥腔的静压气体润滑轴承内的压力分布作了理论上的研究.通过通流面积和马赫数的计算深入分析了随着气膜厚度的变化,轴承流场内压力的变化及变化机理.通过实验证明,在轴承间隙很小时两种方程求得的压力值与实验结果是一致的.但随着气膜厚度的增加,采用纯黏性润滑方程计算的偏差很大,而采用N-S方程计算的结果与实验结果基本一致.并通过与环面节流的平面轴承的压力对比,表明增大气膜入口处的节流面积, 可以增加轴承的质量流量,提高轴承内的压力,避免较大供气压力和较大膜厚时气膜入口附近压力急剧下降,从而提高轴承承载能力.     

阵列型空气轴承特,陛与供气压强关系的仿真分析

基于FLUENT采用三维双精度标准κ-ε粘性湍流模型,仿真了供气压强为6、7、8、9和10 atm时的同孔径等间距孔式静压空气平面轴承节流器4×4阵列,得到了五种压强下阵列多节流器耦合后的质量流量、气膜平均压强等关键性能参数及气膜静压强分布、速度分布等.仿真数据表明:总质量流量与供气压强成比例;增大供气压强可提高气浮垫的平均气膜压强即承栽能力.从气膜压强和速度关于位置坐标的累积分布得到了不同供气压强下阵列气膜区压强、气体速度的耦合关系.仿真结果能指导静压空气平面轴承的优化设计,为辨识多节流器阵列气膜压强和气体速度分布等理论模型提供了仿真数据.     

于小孔节流空气静压止推轴承流场特性研究

小孔节流空气静压轴承一般都采用数值方法进行分析,数值方法求解过程中一般采用简化的N S方程求解,不能真实反映节流孔出口流场的真实特性。研究小孔节流形式的空气静压止推轴承的流场特性,建立小孔节流空气静压轴承模型,应用流体分析软件求解完整N S方程,并加入湍流模型求解,使计算结果更加准确。计算结果表明,气体流出节流孔后压力骤降且可能出现负压,压力骤降的值和气膜间隙成正比;在节流孔出口附近,气膜上下边界的空气流速小于气膜中间的流速,而且气体易与气膜上边界产生速度分离。