小孔节流静压止推轴承超音速现象分析

小孔节流空气静压轴承固定气膜厚度时提高供气压力,在某些情况下节流孔的周围会发生压力突降的现象,这时可能会在节流孔附近因激波的出现而产生超音速区.本文针对这种现象,结合FLUENT软件进行分析,指出此时气膜内的压力分布,速度分布和马赫数分布,并对其分布位置进行比较和分析.从熵增角度证明小激波的存在性并且确定其出现位置.为完善静压气体轴承边界层理论提供一定的依据.     

圆盘止推静压气体轴承亚音速流场的简化计算

雷诺气体润滑方程仅涉及轴承气膜内的静压分布,对静压气体轴承流道特性的准确刻画还需要研究轴承流道内的气流速度场。将忽略惯性力的纯粘性等温气膜和等熵流动的供气孔拼接,建立了单供气孔环面节流圆盘止推轴承的流道简化模型,给出流道各部分气流马赫数、雷诺数和压力分布的计算公式。结果表明,气膜中气流速度随矢径变化的性质,取决于速度梯度为零的矢径位置;气膜中的气流雷诺数随矢径的增加不断减小。实际的计算结果表明,只要气膜入口截面上的气流马赫数小于临界声速,整个轴承流道将工作在亚音速,供气压力或气膜高度的变化对气膜起始区域边界层发展段长度的影响很小,供气孔始末端截面上压力和温度的变化也很小,忽略惯性力的纯粘性等温雷诺模型基本能够适用轴承的整个亚音速工况。气膜起始区域边界层发展段的长度,可以用气膜中雷诺数大于临界雷诺数的区域长度来近似。     

高压下环面节流静压气体轴承适用的润滑方程探讨

采用纯黏性润滑方程和基于层流模式、SST k-ω湍流模式的N-S方程,对环面节流静压气体润滑推力轴承内的压力分布进行了研究,分析了随着气膜厚度的变化,轴承流场内压力的变化及其变化机理。实验证明,在轴承厚度很小时两种方程求得的压力值与实验结果一致,然而随着气膜厚度的增大,采用纯黏性润滑方程计算所得结果的偏差很大,而采用N-S方程计算所得结果与实验结果基本一致,但在逆压力梯度段存在偏差;SST k-ω 湍流模式能较好地处理湍流剪切应力在逆压梯度边界层内的输运和激波与边界层的相互作用,准确模拟出气膜入口附近复杂的流动状态。      

高压下环面节流静压气体轴承适用的润滑方程探讨

采用纯黏性润滑方程和基于层流模式、SST k-ω湍流模式的N-S方程,对环面节流静压气体润滑推力轴承内的压力分布进行了研究,分析了随着气膜厚度的变化,轴承流场内压力的变化及其变化机理.实验证明,在轴承厚度很小时两种方程求得的压力值与实验结果一致,然而随着气膜厚度的增大,采用纯黏性润滑方程计算所得结果的偏差很大,而采用N-S方程计算所得结果与实验结果基本一致,但在逆压力梯度段存在偏差;SST k-ω湍流模式能较好地处理湍流剪切应力在逆压梯度边界层内的输运和激波与边界层的相互作用,准确模拟出气膜入口附近复杂的流动状态.     

静压径向气体轴承静态特性数值分析

对静压径向气体轴承的静态特性进行了详细的理论研究,采用二阶有限差分方法数值求解无量纲雷诺方程,编制Matlab迭代程序计算轴承的气膜压力分布。仿真分析了各种轴承结构参数和工作参数下静压气体轴承的承载、刚度和质量流量等静态性能的变化规律。仿真结果表明轴颈的转速对静压气体轴承的承载、刚度和质量流量等静态特性施加着重要影响,在分析轴承性能时必须考虑轴颈的旋转效应。当轴颈的转速不断增大时,轴承的气膜压力、承载能力和稳态刚度等静态性能能够得到显著提升。     

气体轴承特性模拟及实验验证

针对某30 kW微型燃气轮机用静压气体轴承,开展轴承刚度、承载力及轴系临界转速特征的数值与实验研究。通过离散化可压缩雷诺方程,采用数值迭代方法,获取轴承内气膜压力分布和气膜刚度特性;采用有限元方法,研究转子-轴承系统的模态特性与临界转速;在气体轴承支撑的微型燃气轮机试验台上,采用时域振动信号和不平衡响应曲线等振动测试分析方法,获取轴系的气膜临界转速特性。研究结果表明:研究的该静压气体轴承,其转速在30 000 r/min内动压效应相对于静压效应可以忽略;轴承气膜刚度随着偏心率增大而增大,但当偏心率超过0. 8时,由于出现"静态不稳定区域"导致气膜刚度下降。数值模拟和实验都证实了转子在6 000 r/min和9 000 r/min附近出现了由气膜刚度引起的锥动临界特征。     

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。     

机床主轴静压气体止推轴承静态特性随参数变化规律研究

超精密机床主轴一般采用静压气体轴承支承。文章应用大型商业计算流体软件Fluent,并结合MATLAB神经网络拟合工具箱,训练拟合出不同参数与轴承承载力及入流质量流量的映射关系函数,基于此,研究了不同参数对单节流孔圆形静压气体止推轴承静态特性影响的规律。首先,将计算的压力分布与文献中的实验数据进行对比,来验证计算模型与边界的正确性;然后,采用MATLAB神经网络拟合工具箱,训练拟合出轴承半径、节流孔孔径、气膜厚度和外界供气压力与轴承承载力及入流质量流量的映射关系函数;最后,研究了静压气体止推轴承外部供气结构对轴承压力分布的影响;气膜厚度、节流孔直径和供气压力对轴承承载力及入流质量流量的影响。结果表明：外部供气结构对轴承压力没有明显的影响;气膜厚度减少、孔径和外界供气压力的增大会增大轴承的承载力;气膜厚度、孔径和外界供气压力的增大都会增大入流质量流量。     

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CFD的球面动静压气体轴承稳态性能及动态特性分析

基于CFD建立球面螺旋槽动静压气体轴承气膜的有限元模型,数值计算气膜网格点上的压力分布,模拟气膜瞬态流场中复杂的气体流动,得到气膜的压力分布、承载力以及动态特性系数。结果表明:增加供气压力可以有效地增强静压效应,减小气膜厚度和增加转速有助于增强动压效应,动静压效应耦合可以提高轴承承载性能,偏心率为0.4～0.5,平均气膜厚度为8～12μm,供气压力为0.5～0.6 MPa时,产生的动静压耦合效应明显,从而可增加气膜的承载性能和轴承高速运行的稳定性;轴承刚度系数随着气膜厚度的增大呈先增加后减小的趋势,随着偏心率的增加而增加;轴承阻尼系数随着气膜厚度和偏心率的增加变化较为复杂,但整体上呈增大的趋势,因此,合理地选取气膜厚度和偏心率能够提高轴承承载性能,改善其动态特性,提高球面动静压气体轴承运行稳定性。     

带有圆周方向均压槽的静压气体止推轴承的气锤自激

通过开设均压槽,可以增加静压气体轴承的承载能力和刚度,但是如果气体轴承的均压槽等参数设计不合理,会出现一种振动现象——气锤自激振动,尤其是设计高压重载气体止推轴承时。针对常用的圆盘止推气体轴承,建立轴承活动件的动力学方程,再运用小扰动方法和流量连续性方程得到了气锤自激振动的稳定性判别方程。通过求解稳定性判别方程,发现供气压力越大,自激振动的倾向性越强;气膜间隙在一定范围内容易引起自激振动;节流孔直径越大,自激振动的倾向性越强;当止推轴承的外径和内径的比值比较小时,容易发生气锤自激。通过计算得到了不发生气锤自激振动的轴承设计参数,可用于高压重载气体止推轴承的设计。     

环面节流平面气浮轴承大间隙下流场数值模拟

利用三维粘性可压缩平均Navier-Stokes方程,采用SSTk-ω湍流模式,使用非结构化网格和二阶精度的有限体积法,对环面节流圆盘推力轴承大间隙下的流场进行了数值模拟并与层流模式数值结果、实验进行了对比,结果表明,SSTk-ω湍流模式数值模拟的压力分布与实测的压力分布符合程度比较高。马赫数和速度数值计算结果表明,流场内存在激波和激波边界层的相互干扰,导致壁面边界层流动出现了分离,压力出现激烈变化。     

均压槽与静压气体轴颈轴承承载特性的关系研究

主要研究通过开设不同结构形式的均压槽来提高静压气体轴颈轴承的承载能力和刚度,利用加权余量法和有限元离散化方法求解雷诺方程进行数值计算和仿真,针对单排孔和双排孔轴颈轴承,分析不同长度的周向均压槽,以及不同数量、不同位置和不同长度的轴向均压槽对轴承承载能力和刚度的影响规律。结果发现:开设周向均压槽和轴向均压槽都可以提高轴承的承载能力,相比开设周向均压槽,开设轴向均压槽对提高轴承的承载能力更为有效,而且只开设一条或两条轴向均压槽就能显著提高轴承的承载能力,通常将轴向均压槽置于气膜间隙较小的位置时能使轴承的承载能力和刚度最大。数值仿真结果通过试验进行验证,研究结果可用以指导高承载和高刚性静压气体轴颈轴承的设计。     

CFD investigation of pressure depressions in aerostatic circular thrust bearings

Under certain operating conditions, the pressure distributions of aerostatic thrust bearings experience an undesirable pressure depression which decreases their load carrying capacity. Many investigators reasoned this phenomenon to the occurrence of shock waves in the bearing clearance. Recently, some investigators reasoned this phenomenon to the transition from laminar to turbulent flow and claimed that no shock wave is generated at the boundary between supersonic and subsonic flows. As such, there is a contradiction between these two opinions. In this paper, the rationale of the pressure depression phenomenon in aerostatic thrust bearings is investigated using computational fluid dynamics (CFD) simulations. The turbulent full Navier-Stokes equations for steady, three-dimensional, compressible flows are numerically solved in this study. Two circular bearing configurations are analyzed. The obtained results showed that the predicted pressure distributions along the fluid film compare well with the corresponding experimental data of other investigators. The present computational methodology allowed a clear capturing of the coherent structures of the flowfield in the bearing inlet region which include the coalescing of compression waves into shock waves and the region of shock/boundary layer interaction (pseudo-shock). The thorough understanding of this phenomenon is the first step towards the development of its appropriate control methods.     

Elastic Orifices for Pressurized Gas Bearings

The merit of using an elastic orifice compensator in externally pressurized gas bearings is examined. The use of an elastic orifice in a test bearing demonstrates an increase in bearing stiffness over a conventional fixed orifice when compared at a common operating point. This attribute should be welcome wherever externally pressurized bearings are used. In addition, increased bearing stiffness may allow the use of these bearings in applications formerly restricted to pressurized liquid and rolling contact bearings. Information is included to allow construction of working models of these orifices and duplication of experimental results.     

The Design of Externally Pressurized Gas Lubricated Bearings by the Method of Bearing Equivalence

This paper presents the theoretical development and experimental verification of a simplified technique for the design of externally pressurized gas lubricated bearings. The general procedure is to establish an equivalent rectangular bearing which is the performance replica of an arbitrary gas bearing configuration. The resulting equivalent bearing has the same load support, clearance, area, source pressure, entrance losses, and mass flow as the arbitrary bearing which is analyzed. In accomplishing this end, the general rectangular bearing is analyzed, a consistent criterion of equivalence is defined, and theoretical analyses are compared to experimental data.     

狭缝节流气体静压润滑方程式的离散化和相容性条件

提出了一种将常用不同结构形式的狭缝节流气体静压轴承基本方程式的相容变换条件,把结构种类繁多的狭缝节流气体静压轴承的分析,变换成统一的等价标准形式轴承的计算,使自动化编程成为可能。还利用加权余量法把偏微分方程式离散化,把二阶偏微分方程降阶为一阶,放松了对插值函数连续度的要求,便于借助有限元技术分析狭缝节流气体静压轴承的流场参数,给出了计算轴承承载特性的方法。同时,将该方法成功地应用于动压轴承的计算中。     

气动板形检测辊气体静压止推轴承的有限元分析

本文从气体雷诺方程出发 ,根据静压止推轴承的特点 ,运用Galerkin有限元方法推导了润滑气膜压力分布的有限元方程 ,并由气膜的边界条件 ,给出了稳态雷诺方程的有限元方法求解过程