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.     

气固耦合空气静压导轨气膜非定常流动分析

引入有限体积法,将空气静压导轨受力特性方程与气体流动方程相结合构成耦合方程体系,对导轨润滑气膜等温条件下的非定常流动进行数值分析,研究了气膜建立初期的导轨振动及气膜动刚度特性.结果表明:导轨工作面非定常气动力作用使导轨产生阻尼自激振动;导轨工作面压力、承载力、气膜厚度及气膜刚度随时间变化曲线振动周期相等,承载力与气膜厚度成反比;空气静压导轨刚度研究中应考虑动刚度对导轨特性的影响.     

基于速度滑移的气膜流态建模与CFX仿真分析

为了研究空气静压导轨微小间隙中的气膜流态,以提高数控机床的加工精度,通过将速度滑移计算方法及边界条件引入Navier-Stokes方程,推导出适合可压缩气体在微尺度条件下的雷诺方程;利用流体仿真软件CFX对微尺度下湍流状态的气膜流态进行仿真分析;通过改变节流孔直径和气膜厚度分析气膜内压强分布的变化。结果表明,当节流孔直径和气膜厚度在一定范围内变化时,压强由最大值趋于环境压强过程中呈现波动变化趋势;当节流孔直径过大时,气膜内压强不稳定,容易产生气膜波动现象,对机床的加工精度造成影响;当气膜厚度过大时,气膜内压强会出现突变,对气膜支撑力的稳定性影响很大。     

均压槽尺寸对空气静压导轨静态性能的影响

引入有限体积法,采用理想气体等温条件下的k—ε模型封闭流动控制方程组,对均压槽尺寸改变条件下空气静压导轨润滑气膜流场分布进行数值模拟,得到导轨工作面压力分布图及承载力、刚度变化曲线,数值模拟结果表明：导轨承载力及气膜刚度随均压槽尺寸的增大而先增大后减小,存在一个最佳值;随均压槽尺寸增大,导轨工作面压强分布趋于均匀;但当均压槽大于一定尺寸时,气膜湍动随机性引发导轨工作面压强不规则分布,易造成偏载、导致导轨性能不稳。该结论为空气静压导轨均压槽设计及导轨系统静态性能的提高提供依据。     

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。     

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.     

微米尺度二维压力驱动Couette流分区特性的实验分析

小孔节流是空气静压导轨中常见的节流方式,为了研究空气静压导轨气膜压力分布问题,研制了一种气体止推轴承气膜压力分布测试试验台。以小孔节流为例。基于空气静压导轨气膜压力递减规律,将气膜沿长度方向划分为压力驱动区和牛顿摩擦区。通过Fluent仿真气膜支撑区气体流态并计算其流速和压力,得到的实验结果与气体压力分布的数值分析结果吻合。得出了相关结论:气膜沿长度方向分为压力驱动区和牛顿摩擦区。通过实验验证压力分区理论的有效性。     

微小间隙空气静压主轴角刚度分析与实验

通过综合气体运动方程、连续性方程和状态方程,建立小孔节流气体润滑主轴数学模型。采用有限单元法、超松弛迭代法和比例分割法对雷诺方程进行离散求解,解决了微小间隙空气静压主轴跨尺度微偏转的气膜压力分布数值计算难题。进行静态角刚度测试实验,验证了所提方法的有效性。     

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。     

静压球面气体轴承工作特性数值分析

针对传统的主控雷诺方程推导过程中使用的连续性方程在静压气体轴承的节流孔处并不适用的问题,对雷诺方程进行修正。基于保角变换方法、牛顿迭代法、有限差分法和松弛迭代法对轴承气膜流场区域修正雷诺方程进行计算,得到在不同供气压力下节流孔分布锥顶角处气膜压力沿周向的分布,分析供气压力、径向偏心率和节流孔直径对静压球面气体轴承径向承载力、轴向承载力和耗气量的影响。结果表明：静压球面气体轴承的径向和轴向承载力受到静压效应和动压效应的耦合影响;供气压力越大,径向和轴向承载力越大,耗气量量越大;径向偏心越大,径向和轴向承载力越大,径向偏心率对耗气量影响很小;节流孔直径越大,径向承载力、轴向承载力和耗气量越大。     

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.     

小孔节流静压支承轴承力学性能的数值建模

为了讨论小孔节流空气静压支承轴承的节流器尺寸,气膜厚度与供气压等轴承参数对轴承力学性能的影响。针对圆柱腔小孔节流静压支承止推轴承,首先进行了轴承间隙流场的数值仿真与分析,其中以小孔尺寸,气腔尺寸,供气压及气膜厚为设计变量,利用正交实验设计的基本原理构造正交表,通过对轴承间隙流场的数值计算进行采样以获取轴承的承载力与刚度;其次在设计变量范围内基于径向基神经网络模型建立承载力与刚度的分析数学模型,在该分析模型中全面考虑了各轴承参数的作用,同时考虑了轴承间隙的流场结构对力学性能的影响,得到的模型经过拟合校验以证明具有足够的精度;最后基于该分析模型讨论了小孔与气腔尺寸对轴承承载力与刚度的影响,为工程设计提供了参考。     

An Application of Newton's Method to the Lubrication Analysis of Air-Lubricated Bearings

This study deals with the development of a computational procedure for solving the isothermal compressible Reynolds equation as the governing equation of air-bearing analysis. Newton's method is used to linearize Reynolds equation and an iterative successive relaxation process is adopted to solve for the air film pressure. The optimal value of relaxation factor for the cases studied is suggested in this report for numerical stability and computational efficiency. The model is verified numerically by examining the conservation of mass flow of the lubricant. The dimensional analysis of the governing equation permits the model to be readily applied to any given film geometry.

The computer model developed can evaluate the air film pressure distribution, load capacity, frictional force, and mass flow of an air bearing. The proposed computational scheme efficiently analyzes the performance of air-lubricated journal bearings at large eccentricity ratios. A similar procedure can be employed to investigate the performance of highspeed noncircular air bearing or gas-lubrication film under slip-flow conditions. This study gives an analytical basis for the design of orifice-compensated externally pressurized air-lubricated bearing.     

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。     

气体静压轴承相位致振气锤失稳机理与试验

针对气体静压轴承在结构不合理或者工作参数选择不恰当时容易产生气锤失稳的问题,开展基于相位致振的气体静压轴承气锤失稳机理研究。从气体静压轴承的工作气压与气膜间隙随时间变化的相位关系出发,建立基于相位致振的气体静压止推轴承自激失稳理论模型,分析气体静压止推轴承在发生气锤失稳过程中,工作气压与气膜厚度的相位变化对应情况。理论分析和实验研究结果表明,在气体静压止推轴承发生气锤失稳过程中,工作气压与气膜厚度的相位不断变化,并在相位差为180°时发生气锤失稳,进而说明可以从相位角度解释气体静压轴承发生气锤失稳的原因。该研究进一步完善了气体静压止推轴承的自激失稳作用机理分析,为气体静压轴承的气锤失稳的机理分析及其抑制提供了一种新的方法。     

气浮主轴轴向闭式支承系统静特性数值分析

求解气体润滑问题的最大难点在于如何获得雷诺方程的精确解。为了提高气浮主轴轴向支承系统的设计精度,在建立小孔节流气体静压止推轴承润滑数学模型的基础上,运用有限元方法对雷诺方程进行离散化。基于MATLAB7.0工具平台,采用超松弛迭代法,开发求解气体静压止推轴承压力方程与静特性的数值仿真软件。以某气浮主轴轴向闭式支承系统静特性参数设计为例,通过数值仿真,获得单侧止推轴承润滑气膜的压力分布,及不同节流孔直径与不同供气压力下的静特性性能;以刚度最大为优化目标,确定该气浮主轴止推轴承的结构参数与操作参数,并由此获得闭式支承系统的静特性。     

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。     

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。     

超声速流下多供气空圆盘静压止推气体轴承性能分析

应用Fluent软件对多供气节流小孔盘静压止推气体轴承进行三维流场的模拟计算,分析供气小孔数、气膜间隙和供气压力对圆盘静压止推气体轴承性能的影响,并和Reynolds方程解的结果进行比较,分析气膜内发生超音速流和不发生超音速时气膜内的压力分布和马赫数情况.结果表明,应用Fluent数值模拟可以很方便地处理节流小孔进入到气膜内区域的复杂流场流动;增加供气孔数、减小气膜间隙和降低供气压力能够避免多供气孔静压止推气体轴承气膜内发生超音速.