平面静压真空气浮轴承二维分析理论及其实验研究

针对真空平面静压气浮轴承性能分析的二维问题,对带有均压槽的真空平面静压气浮轴承的供气量、气膜厚度和刚度进行了数值分析和实验研究,提出了一种适用于粘性流、过渡流和分子流的二维分析模型。首先,根据真空流导理论,推导出了气膜内气体在三种流动状态下各自的控制方程,建立了真空气浮轴承承载区域二维分析模型;其次,针对带有均压槽的真空气浮轴承,在不同供气压强条件下,对不同测点的压强值进行了试验研究,获得了气浮轴承的流量,并通过流量的对比验证了该模型的准确性;最后,采用数值模型,分析了实验过程中的气膜厚度和轴承的刚度。研究结果表明:当轴承承载力不变时,随着供气压强增大,轴承刚度呈现先增后减的特点。     

动静压耦合效应下气体轴承流场特性分析

为研究静压气体轴承的动静压耦合效应机制及其对流场压力分布、承载力等特性的影响,以高速静压气体轴承为研究对象,采用CFD数值仿真方法,在不同偏心率及转速条件下对流场特性、动静压耦合效应机制、承载力以及偏心角进行分析研究。研究表明:转速和偏心率变化导致的气体黏性力、压差流和气体可压缩性变化,影响流场动静压耦合效应的强度,且造成流场的周向压力分布不对称,进而导致承载力及偏心角的变化;在相同偏心率下,承载力随转速升高而单调递增,偏心角随转速升高呈现非线性变化规律;在相同转速下,当转子保持在低速范围内时,偏心角随偏心率增大而增大,高速时则相反。     

气体静压止推轴承静态性能的数值仿真与实验研究

应用Fluent软件对小孔节流气体静压止推轴承进行了三维流场的模拟计算,分析了节流孔孔径、节流器工作面积、气源供气压力等因素对气体静压轴承性能的影响。结果表明:止推轴承的承载能力随着节流孔直径的增大而增大,在气膜间隙较小时,刚度随着节流孔孔径增大而减小,在气膜间隙较大时,刚度随着节流孔孔径的增大而增大;在保证加工精度的前提下,增大节流器工作面尺寸,以及在保证气源供气连续的前提下,增大气腔供气压力,都可以显著地改善止推轴承的静态性能。在自行研制的实验平台上进行气体静压实验,实验结果与数值模拟计算结果具有较好一致性,证明了将该数值计算方法的可行性。     

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。     

环形气腔静压气体止推轴承的研究

本文提出了一个孔式节流静压气体轴承的新方案。在固有节流孔的周围,设一个环形气腔,消除了小孔的扩散损失和轴承间隙中压力分布形面的凹陷现象。从而,提高了固有孔节流轴承的静特性。同时,由于改善了入口效果,环形气腔轴承的动特性也较园形气腔轴承为好。因此,这种进气结构兼有固有孔节流轴承和园形气腔节流轴承二者的长处。文章对具有一个环形气腔的圆板形静压气体止推轴承,作了理论分析和实验研究。以无因次量的形式给出了这种轴承的最优化参数选择方法,也提供了实验方法和结果。     

球面螺旋槽动静压气体轴承动态特性分析

以半球螺旋槽动静压气体轴承为研究对象,建立球面动静压混合气体轴承的非线性动态润滑计算分析数学模型,采用偏导数法推导出扰动压力控制方程;在广义坐标系下,采用有限差分法对扰动压力控制方程离散化,推导出扰动压力的差分表达式;推导出半球螺旋槽动静压气体轴承刚度和阻尼系数与扰动压力之间的关系表达式;采用VC++6.0编制程序,数值计算出三维微气膜的瞬态扰动压力分布、非线性气膜力及动态刚度系数和动态阻尼系数。研究转速、偏心率及供气压力对气膜动态特性系数的影响规律,结果表明:随着转速、偏心率及供气压力的增大,气膜刚度和阻尼系数均有不同程度的变化。     

部分圆弧动静压混合式气体轴承的性能研究

采用有限差分法计算部分圆弧动静压混合式气体轴承的压力分布、承载能力和支承位置角,并与气体静压轴承、气体动压轴承进行比较,表明混合式气体轴承具有较高的承载力,瓦块进口边位置角对部分圆弧混合式轴承的承载能力、载荷位置角有显著影响,在进行轴承结构设计时应充分考虑这一现象。研究了供气压力对混合式轴承性能的影响,表明供气压力的增大可相应提高轴承承载能力。     

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.     

两种典型气腔空气静压轴承的分析比较

对圆孔气腔式和圆环气腔式2种典型气腔静压轴承结构进行有限元分析,研究了2种典型结构轴承在不同偏心量下的压力分布、承载力和刚度等的分布规律.结果表明:圆环气腔式轴承压力分布较均匀,主轴抗振动能力较好;圆环气腔式轴承承载能力和刚度约是圆孔气腔式的2倍.但当圆环气腔式轴承承载力超过一定量时会引起刚度波动,应该尽量避免.     

气体静压多孔质球面轴承静态性能分析

与传统的小孔节流气体静压轴承相比,气体静压多孔质轴承具有高承载能力、高阻尼和很好的稳定性等。气体静压多孔质球面轴承具有合力始终对准球心,轴承运转平稳等优点,既具有轴向限制同时具有径向限制,在工业当中应用相当普遍。给出了球面轴承的理论分析、有限元推导过程,基于有限元推导过程给出了球面轴承的理论计算静态性能。在自行研制的试验台上进行气体静压试验,由此得到轴承的静态性能。试验结果和理论计算结果之间的吻合良好,从而说明理论计算的正确性和可行性。     

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。     

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.     

空气静压导轨静态性能的解析计算及分析

空气静压导轨是空气静压止推轴承的一种，在直线气浮导轨中被广泛采用。本文利用线性气源假设，将气膜中气体的二维流动化为一维流动，使雷诺方程得到简单的解析解，推导出空气静压导轨的解析计算公式，并利用该计算公式分析导轨参数对其静态性能的影响，从而为空气静压导轨找到了一种快捷方便的设计方法。     

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.     

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。     

简单孔节流静压气体轴承优化设计的一种解析解法

静压气体轴承在工程中应用广泛,但其设计工作涉及的计算繁琐,工程中多采用图表法或数值计算法。为简化工程计算过程,也为研究气体轴承中各参数间的关系提供直观的分析依据,从解析角度研究了静压气体轴承的优化设计问题。以简单孔节流圆盘静压气体止推轴承为研究对象,以轴承刚度最大为优化准则,首先利用数值计算求出与供气压比对应的最佳节流压比,再利用最小二乘法拟合得到它们的解析关系式,以此为基础,进而求出最佳气膜厚度、最佳承载力、最大刚度和最佳气体流量的解析解,并与精确数值解进行了比较验证。得到的解析解,使气体轴承的工程设计简便、有效。     

Active inherent restrictor for air-bearing spindles

An active control method for aerostatic bearings is proposed in this paper. The proposed method employs an active inherent restrictor AIR, (which was invented by the authors) to control pneumatic pressure on the bearing surface. The AIR consists of a piezoelectric actuator with a through hole, one end of which is small enough to function as an orifice when the actuator is embedded in the bearing to be controlled. Nine AIRS are incorporated into the aerostatic radial and thrust bearings of an air bearing spindle. According to the radial and/or thrust displacements of the spindle detected by sensors, a microcomputer changes the length of the piezoelectric actuators for controlling the orifice area of the AIRs and for compensating the displacements. Thus, the stiffness and the rotational accuracy in both radial and thrust directions can be improved without the occurrence of pneumatic hammer. Instead of ordinary passive inherent restrictors, the AIR can be incorporated into most conventional aerostatic bearings. An example of retrofit of the AIR to a commercially available air bearing spindle is also shown.     

海水淡化用高压泵轴向力数值模拟计算与试验对比

为提高反渗透海水淡化高压泵轴向力计算的准确性,应用CFD技术对模型泵内部的流动进行数值模拟,得到不同流量下前后泵腔的静压分布.并对模型泵样机进行试验研究,实测出不同流量下前后泵腔在不同半径处的静压值.应用多项式拟合分别绘制出两种方法下的压力分布曲线,对盖板进行面积分,计算轴向力大小.与通过试验数据计算出的结果相比,数值模拟计算出来的轴向力相对误差在9%以内,而经验公式计算的轴向力相对误差为14%,采用数值模拟方法计算轴向力具有更高的精度,对多级离心泵轴向力平衡的研究具有指导意义.     

Numerical and experimental analysis of aerostatic thrust bearings with porous restrictors

The finite element method is used to predict the performance of aerostatic thrust bearings with a complete porous surface. Results obtained by a 1D and 3D source flow model derived from D’Arcy’s law are compared for rectangular porous bearings having an infinite width. It turns out that the 1D source flow model is adequate for practical design parameters. For a circular aerostatic porous thrust bearing results calculated with several mathematical models for the source flow and slip flow are compared with experimental results. A relatively simple model incorporating unflatness and deformation of the bearing surface correlates well with the experimentally determined bearing performance.