多孔质静压轴承静态特性预测研究

在多孔质静压轴承设计中,轴承设计参数是影响其静动态特性的关键因素之一,通常情况下,要得到合适的轴承设计参数,需要多次重复建模和仿真,且由于轴承结构复杂,建模难度大,仿真时间长,严重影响了轴承的设计效率。本文构建了一种基于遗传算法(Genetic algorithm,GA)优化反向传播(Back propagation, BP)神经网络的轴承静态特性预测模型,采用拉丁超立方抽样方法在轴承参数设计空间内采样,并进行Fluent流体仿真,将仿真数据用于GA-BP神经网络模型的训练与测试,实现了对设计空间内任意设计参数下的多孔质静压轴承静态特性的预测。研究结果表明,训练出的GA-BP神经网络模型能够准确预测多孔质静压轴承的静态特性,预测精度在95%以上,对多孔质静压轴承的快速设计和参数优化具有重要意义。

不同微结构静压轴承油膜流动特性研究

在剪切力和压缩力共同作用下,液体静压轴承黏性油膜的液阻和流速会发生变化,导致油膜的散热能力不稳定,而增加油膜流动阻力,减小流动速度可以有效提高油膜的散热能力。为增加流体的扰动进而增强换热,在静压轴承工作面上加工不同的微结构(矩形、三角形、椭圆形),通过数值仿真方法研究微结构在不同跨度、不同深度、不同间距下对轴承工作面油膜流动速度的影响,得到黏性油膜增阻减速的有效范围。结果表明:综合微结构深度、跨度、间距变化对油膜液阻的影响,矩形微结构增阻效果最明显,椭圆形微结构次之,三角形微结构最差;当微结构间距单一变化时,只有矩形微结构可起到降低流场平均速度的作用。因此,矩形微结构可起到增阻减速的作用,且增阻减速的最佳间距范围为0.01~0.04 mm。

基于不同加工工艺的微孔节流空气静压轴承的特性研究

随着超精密加工技术和地面微低重力仿真的发展,相关产业对空气静压轴承的性能要求越来越高。由于传统的孔式节流器其结构特点不能完全满足实际使用的需要,节流孔直径与气膜间隙同一数量级的微孔节流空气静压轴承因其良好的刚度和承载特性,越来越受到关注。但在微孔节流器的发展过程中,微孔的加工工艺却限制了其推广应用。针对目前常用的三类微孔加工工艺,进行了理论仿真研究,通过建立不同加工工艺轴承仿真模型,运用双向流固耦合仿真方法,对比分析了基于不同加工工艺的微孔节流空气静压轴承的动静态特性。研究结果表明:锥孔类轴承承载性能优于其他两类,但耗气量大且在小间隙时刚度较差;薄壁直孔类轴承承载性能稍逊,但在大间隙下轴承刚度较佳;嵌套类轴承承载性能较差,但在小间隙下轴承刚度较大且耗气量较低。

Ti-6Al-4V六槽深浅腔动静压轴承刚度数值分析

针对传统材料制造的动静压轴承刚度较差的问题,提出一种基于Ti-6Al-4V材料制造六槽深浅腔交错分布的动静压轴承。利用ANSYS有限元软件建立六槽深浅腔动静压轴承流固耦合模型,研究轴径间隙、转速以及偏心率对QSn4-3轴承和Ti-6Al-4V轴承刚度的影响规律。结果表明:钛合金材料制成的轴承刚度优于传统锡基合金材料制造的轴承,各工况参数中,轴径间隙对轴承刚度的影响最为显著,其次是偏心率。该研究可为钛合金滑动轴承的数值模拟和设计提供参考。

冲击载荷下动静压轴承特性变化分析

为研究冲击载荷作用下动静压轴承特性变化,以深腔和浅腔组合的动静压轴承为研究对象,建立动态时变Reynolds方程、膜厚方程、转子动力学方程及边界条件的耦合模型。采用有限差分法和欧拉法计算冲击载荷作用下油膜压力分布等参数,并分析冲击角度、长径比及半径间隙等因素对动静压轴承轴心轨迹、承载力等参数的影响。结果表明:方向相反、幅值相等的冲击载荷使得动静压轴承承载力和轴心轨迹呈现对称变化趋势;动静压轴承长径比越大,冲击载荷下承载力峰值变化越小;半径间隙越小,冲击载荷下承载力峰值变化越小。因此降低半径间隙、提高长径比有利于提升动静压轴承的抗冲击能力。

考虑流固耦合作用的超高速液体动静压轴承油膜特性研究

考虑润滑油的黏温效应对动静压滑动轴承的影响,建立超高速液体动静压滑动轴承的油膜-轴瓦流固耦合模型,采用计算流体动力学(CFD)方法求解连续性方程、能量方程和Navier-Stokes方程组得到动静压轴承油膜的压力场和温度场;采用双向流固耦合分析方法对动静压轴承进行计算,分析轴承弹性形变对油膜特性的影响。结果表明:动静压轴承的油膜压力和最大形变量均随着转速的升高以及供油压力的增加而增大;提高供油压力可以加剧润滑介质的流动,从而在一定程度上降低油膜温度;考虑流固耦合作用之后,动静压轴承的实际承载力和油膜压力均一定程度上减小。

浮环弹性变形对浮环动静压轴承润滑特性的影响

浮环轴承在高速工况下运行时,浮环表面在油膜压力作用下会发生弹性变形,影响轴承润滑性能。针对带有深浅腔的浮环动静压轴承,采用有限元法和有限差分法耦合求解油膜Reynolds方程、能量方程和温黏关系式,采用变形矩阵法求解弹性变形方程,计算浮环弹性变形分布;在浮环平衡的基础上,分析浮环变形对环速比、油膜承载力、端泄流量等润滑特性参数的影响。结果表明:浮环弹性变形分布与油膜压力分布呈现一致性,转速越高,偏心越大,变形越明显;考虑浮环弹性变形,浮环达到平衡状态时,内膜偏心率增加,环速比减小,轴承承载力与摩擦力矩均有所增加;由于浮环变形对内、外膜间隙及流动液阻的不同影响,使得内膜端泄流量增加,外膜端泄流量减少。

基于正交试验小孔节流液体静压轴承优化分析

以内圆磨床小孔节流液体静压轴承为研究对象,将SOLIDWORKS建立的油膜三维模型导入ICEM中进行网格划分和边界条件命名,利用流体仿真软件FLUENT仿真分析,运用正交试验法设计试验方案分析轴承主要参数对轴承性能的影响及各参数对轴承性能影响的主次顺序。结果表明:影响液体静压轴承承载力和刚度的因素主要包括平均间隙、节流孔直径、节流孔到轴端面距离、单排节流孔数目、偏心率、供油压力、润滑油动力粘度等;轴承的主要参数对液体静压轴承承载力和刚度的敏感性差异很大;同时以承载力最大为优化准则得到优化后轴承模型参数,其承载力提升了113.99%,同时刚度也提升了98.85%。

缝隙节流液体静压轴承油膜刚度系数的研究

油膜刚度系数是液体静压轴承的关键性能参数之一。针对缝隙节流液体静压轴承,推导了其油膜承载力的解析表达式,并在此基础上进一步推导了油膜刚度系数的解析表达式。相比于传统经验公式,采用该表达式的计算结果与实验结果更吻合。通过分析应用案例可知:油膜承载力与节流参数、主轴离心率均呈正相关关系;油膜正向刚度系数随着离心率的增大而减小,油膜交叉刚度系数随着离心率的增大而增大,并且正向刚度系数明显大于交叉刚度系数。利用该轴承油膜刚度系数的表达式,可以通过测量轴承运行过程中的轴心位置,实时得到轴承油膜刚度系数,从而对缝隙节流液体静压轴承的运行进行有效监控。

静压轴承浇筑技术的工艺性研究

随着新材料的不断应用,静压轴承在数控重型卧车上得到广泛应用。静压轴承一般由两部分组成:基体和腔体涂层,腔体涂层采用的是一种新型材料,具有良好的润滑条件和相应机械性能,近年来这种胶体涂层工艺在机床设计上应用较为广泛,都取得良好的效果。随着科技与工艺的延伸发展,大型机床腔体的浇筑技术也逐渐增多,以DL3500型数控重型卧车为例,对静压轴承的浇筑技术和工艺进行研究分析。

液体静压轴承结构参数对其性能的影响

从液体静压转台的支撑原理出发,对液体静压轴承的承载能力、刚度、功率损耗、温升等性能进行了推导计算;并结合实践生产对象,分别对油腔结构参数、油膜设计间隙以及供油流量值进行单因素定量分析,得到了轴承主要性能随参数变化的规律,从而为液体静压轴承参数设计提供了参考。

磨床电主轴动静压轴承静动特性的理论研究

针对精密磨床电主轴的高精度设计需要,采用动静压轴承作为支承轴承,动静压轴承采用四油腔小孔节流结构。文章分析了动静压轴承的结构和使用工况,给出了动静压轴承的静动特性的理论计算方法,分析了节流孔径d和油腔面积A对静动特性的影响,静特性包括承载力F和流量Q,动特性包括刚度系数k和阻尼系数c。研究结果表明:随着d的增大,F先增大后减小,在d为0.5 mm时达到最大值;Q随d的增大而增大,且增大的趋势逐渐变缓;F随A的增大呈线性增大,当A大于1 000 mm^(2)之后F开始减小。Q随着A增大而增大,但增大趋势有递增迹象;主刚度k_(xx)随着d的增大先增大后减小,在d为0.5 mm时达到最大值,k_(yy)随着d增大而减小,但在d为0.5 mm之后的减小趋势放缓;随着A的增加,两个方向主刚度k_(xx)、k_(yy)均近似线性增大,k_(xx)在A大于1 000 mm^(2)时达到最大值,交叉刚度k_(xx)随着A增大而递减,但在递减趋势逐渐平缓。

变黏度液体静压轴承的温升特性研究

采用广泛使用的有限元法难以探究温升的影响对液体静压轴承动态特性的影响,为此,提出了一种基于有限差分法的变黏度液体静压轴承动态润滑仿真算法,对变黏度液体静压轴承的温升特性进行了研究。首先,改进了油腔的热力学边界条件,以拓宽其适用范围,使其适用于油腔尺寸较大的液体静压轴承;然后,基于有限差分法处理了Reynolds方程、流量连续方程、能量方程以及黏温方程,从而建立了基于MATLAB的液体静压轴承变黏度热流动态润滑模型;最后,采用仿真计算的方法,分析了偏心率ε为0.1~0.4、主轴转速n为3000 r/min~10000 r/min(线速度为14.1 m/s~47.1 m/s)时,油膜压力与温升的变化机理。研究结果表明:当主轴转速从3000 r/min增大到10000 r/min时,转速的增大会使得液体静压轴承的承载力因动压效应的增大而增大,但其油膜的平均压力却因温度的升高、油膜黏度的降低而下降了约24%;主轴偏心率的增大会导致油膜温度聚集,而主轴转速的增大则导致油膜温升增大,故当偏心率ε=0.4而转速n=10000 r/min时,油膜的温升较大,且热量发生聚集,其最高温升可达39.5℃;主轴转速越高,液体静压轴承内热油携带对温升的影响越显著。该研究结论可以为温升影响下高速液体静压轴承的轴心轨迹与动态特性的研究提供理论基础。

抛光机用空气静压轴承静态特性研究

空气静压主轴是抛光机的核心基础部件,为实现金刚石刀具抛光机用空气静压主轴刚度、承载力等静态性能的提升,基于抛光过程中主轴的实际受力状态,采用数值模拟与实验验证的方式,对静压主轴的静态特性进行研究,研制了用于抛光机的空气静压主轴,并开展了轴承的静态性能测试实验,完成了静压轴承数值模拟结果的实验验证。实验结果表明,实验测试与数值求解结果具有一致性,两者误差在10%以内。设计的的空气静压轴承止推刚度与径向刚度分别为333 N/μm和120 N/μm,承载力分别为2024 N和704 N,为保证抛光加工质量提供了良好的条件。

精密机床电主轴静压轴承制造误差对性能的影响

分析了精密机床主轴静压轴承节流器孔径d_(0)、轴承半径间隙h_(0)、油腔长度L和油腔宽度B等参数的制造误差,选取了制造误差影响较大的节流孔径d_(0)和半径间隙h_(0)作为分析的对象;建立了考虑节流孔径误差ε_(d)和半径间隙误差ε_(h)的静压轴承性能计算模型,计算分析了ε_(d)和ε_(h)影响下的轴承刚度J和回转精度e,并通过试验对理论分析结果进行了验证。研究结果表明:制造误差ε_(d)和ε_(h)对J的影响随载荷W的增加而增大,W为600 N、ε_(d)为0.05 mm时的J值是ε_(d)为-0.05 mm时的1.34倍,ε_(h)为10μm时的J值仅为ε_(h)为-10μm时的29.9%;对于e,ε_(d)会带来1μm左右的影响,ε_(h)会带来2μm左右的影响。

多孔空气静压轴承动力学性能影响参数的优化设计

位移阻抗性能直接反映了空气静压轴承对外动载荷的抵抗能力,在考虑自激振动削弱的动力学性能设计中应对其进行优化提升。为提升轴承的动力学性能,削弱气锤振动,针对气膜-被支承件系统的位移阻抗进行研究。采用数值仿真方法,引入动网格技术计算位移阻抗,明确多孔空气静压止推轴承的结构、运行参数对位移阻抗的影响机制;基于径向基神经网络模型建立以轴承参数表示的位移阻抗近似分析模型,并采用PARETO分析对比讨论轴承参数对位移阻抗的影响;建立优化设计数学模型,以削弱气锤振动为目的,在气锤振动的频率范围内与给定负载条件下针对位移阻抗进行优化。分析结果表明:由于挤压膜效应,外激励频率对于位移阻抗具有最大影响,位移阻抗随激励频率的增大而急剧增大,因此轴承对于高频外载荷具有较强的抵抗能力,需要着重提升低频激励下的位移阻抗性能;小孔直径、气膜厚度与供气压力对位移阻抗的影响大于气腔尺寸与小孔位置的影响。研究结果与优化建模流程可为轴承的工程设计提供参考。

计算模型对空气静压轴承特性分析有效性的影响

空气静压轴承具有精度高、摩擦小和寿命长的特点,被广泛应用于航空航天等领域。不同空气静压轴承气膜的承载面积和厚度的差距悬殊,导致气膜内部的流场极为复杂,传统的基于层流假设的N-S(Navier-Stokes)方程已无法精确预测该轴承的工作特性。为此,以圆盘形中心供气小孔节流空气静压轴承为研究对象,基于气体润滑和湍流理论建立其气膜流场数学模型,分析了气膜流场内湍流斑形成涡旋后的发展运动以及向平滑层流过渡的过程。在相同工况下,针对气膜厚度较小(<10μm)时的特征流场采用k-ε模型,针对气膜厚度中等(10~20μm)时的特征流场采用大涡模拟(large eddy simulation,LES)模型,针对气膜厚度较大(20~30μm)时的特征流场采用“k-ε模型+层流模型”。然后,设计并搭建空气静压轴承静态特性测试实验台,以验证所采用计算模型的准确性。结果表明:根据不同工况选择适宜的计算模型,可提高空气静压轴承气膜流场的计算精度。当气膜厚度小于10μm时,气腔内湍动程度较大,宜采用k-ε模型进行描述;当气膜厚度增大到10~20μm时,气腔内大涡旋以一定速度沿半径方向扩散并输运能量,宜采用LES模型进行描述;当气膜厚度增大至20~30μm时,气膜的容性效应增强,使得气腔内后半部分呈现层流特征,宜采用混合计算模型进行描述。研究结果为不同工况下空气静压轴承的设计提供了参考数据,准确选择计算模型有利于缩短研发周期。

主控型液体静压轴承转子系统的模型辨识

基于雷诺方程和流量守恒方程建立液体静压主轴转子系统模型,以主动单面薄膜节流阀为控制元件,对主轴的径向运动进行控制。采用频域辨识法对系统输入输出进行辨识,发现静压主轴转子系统在低频低电压范围下的系统特性更接近二阶系统,并通过公式计算出系统的传递函数,得到小扰动下的系统模型,设计模型预测控制(MPC)与PID控制器验证辨识模型的有效性,试验与仿真对比表明,该模型能较为精准地反映系统输入输出特性。

不同润滑介质下气体静压轴承气锤自激振动研究

为研究不同润滑介质对气体静压轴承气锤自激振动的影响,耦合时变的气膜流场控制方程、流量平衡方程和转子受力方程建立了轴承系统的单自由度气锤振动模型。利用有限差分法数值求解模型,得出气膜振动速度瞬态响应曲线用来判定轴承稳定性,并通过试验验证了模型的可靠性和程序的有效性。计算结果表明:使用氙气可以有效降低气锤自激振动的发生;对于氙气和空气的混合气体,随着氙气体积比的增大,气膜振动速度曲线衰减趋势加强轴承稳定性提高,轴承支撑力增大,且供气压力越高支撑力增大幅度越大;当氙气体积比从0增大到0.6时,轴承支撑力快速增大,临界供气压力也持续提高,当氙气体积比超过0.6后,轴承支撑力和临界供气压力增长缓慢,结合成本考虑,氙气体积比为0.6可作为最佳体积比。该研究为气体静压轴承气锤自激振动的抑制提供了新思路。

涡轮泵流体静压轴承设计及性能特性分析

针对流体静压轴承在液体火箭发动机涡轮泵中的设计和应用,以现有的滚动轴承支承的涡轮泵转子为应用对象,提出流体静压轴承的参数设计思路,采用粒子群优化算法设计得到支承刚度最大化的轴承结构参数组合,并计算分析所设计轴承的性能以及轴承-转子系统的动力学特性。分析表明:优化设计得到流体静压轴承的承载力和支承刚度可以满足要求,但轴承总流量达泵流量的21%,这会显著降低涡轮泵的总体效率;仅将滚动轴承改为流体静压轴承,而不改变其他结构或布局,转子的稳定性不能满足要求;涡轮泵流体静压轴承转子系统设计时应尽量将轴承布置在转子位移较大的位置,以充分发挥其阻尼作用。