带人字槽和轴向微通槽的动静压气体轴承静态特性

设计带人字槽和轴向微通槽的动静压气体轴承,运用FLUENT对其静态特性进行仿真分析,通过改变轴向微通槽深度、偏心率、气膜厚度、供气压力等参数,研究其对轴承刚度和承载能力的影响。结果表明:其他条件不变,偏心率越大,轴承刚度越小、承载能力越大;人字槽可以提升气体轴承的承载能力和刚度,主轴转速越快,动压效应越强,轴承刚度和承载能力越大;随微通槽深度增加,轴承刚度先增大后保持稳定,轴承承载能力先增大后减小,因此当微通槽深度过大时,轴承刚度变化不大,但轴承承载能力会减小。

基于流固耦合的箔片气体轴承动态特性分析

基于有限元软件ANSYS Workbench,建立箔片气体轴承在可压缩流体介质中运动的有限元模型,采用6DOF动网格计算方法对轴承的运动状态进行流固耦合数值模拟,探讨了不同转速和波箔片结构参数(波箔片的长度比、高度以及厚度)对轴承动态特性的影响规律。仿真结果表明:转速增加,轴承的承载能力增加,但稳定性有所下降,更容易发生失稳现象;选取波箔片的长度比在1~1.5之间、厚度为0.16 mm,既可以保证轴承具有较高的刚度,同时又能获得较大的阻尼;波箔片高度与轴承动态特性成反比关系。将仿真结果与试验结果进行对比,验证了仿真计算方法的正确性和有效性。同时本文的研究为优化波箔片结构,改善轴承动态特性,提高轴承运行稳定性提供理论依据。

阶梯型螺旋槽在动压径向气体轴承的应用数值分析

改良轴承参数从而提高气体动压轴承承载力和稳定性是轴承设计的主流思路,考虑气动力学影响来改进轴承几何构型,对动压气体轴承研发具有积极的作用。为了将前台阶流的激波效应合理引入动压轴承的构型设计,文章提出一种阶梯型螺旋槽径向动压气体轴承。通过气动力学分析普通型螺旋槽和阶梯型螺旋槽的对承载力的影响,结果表明,新的阶梯槽结构更有利于提高螺旋槽轴承的承载性能,研究结果可为改进螺旋槽空气轴承设计提供有意义的参考。

螺旋槽小孔节流动静压气体轴承稳态承载力分析

为研究空气轴承在动静压下的稳态承载性能,使用三维建模工具建立动静压气体轴承模型,从连续方程、可压缩流体润滑方程、气体状态方程出发,得到等温条件下稳态气体润滑Reynolds方程,并计算轴承稳态承载力。对螺旋槽小孔节流空气轴承结构建立三维模型,借助Fluent仿真软件对整个流体域进行仿真分析,探讨螺旋角、偏心率、槽宽比、槽深比、槽长比等参数对气体轴承承载性能的影响。结果表明:气源压力一定时,气膜承载力随着偏心率的增加呈现非线性上升趋势,随着槽宽比的增加呈现下降趋势,槽宽比越大,这种下降趋势更加明显;随着槽深比和槽长比的增加,气膜承载力呈现先增加后降低的趋势。对轴承结构进行优化,优化后的轴承承载性能更优。

超临界二氧化碳动静压径向可倾瓦轴承实验台设计与实验研究

针对超临界二氧化碳(S-CO_(2))动力机组在启动和停止阶段气体轴承产生非常大的摩擦磨损,以及气体轴承承载力低、刚度低、阻尼小、稳定性较差等问题,设计并改进一种新型动静压S-CO_(2)润滑径向可倾瓦轴承结构。设计并搭建S-CO_(2)润滑轴承实验台,针对于实验台转子刚启动和极低转速工况,对新型S-CO_(2)润滑动静压径向轴承在静压状态下的动态特性进行实验研究,得到轴承的动态刚度和动态阻尼,并分析静压对轴承动态性能的影响。实验结果表明,设计的S-CO_(2)动静压径向可倾瓦轴承在启停阶段,在轴瓦与轴颈之间产生了足够的静压压力,可将二者完全分隔开,从而能减少启停阶段的摩擦磨损;随着静压压力的增大,轴承X、Y方向上的整体刚度、主阻尼都增大,且2个方向的主刚度系数差别不大,而交叉刚度和交叉阻尼都接近于0。研究结果为进一步揭示S-CO_(2)润滑径向轴承动压状态特性提供参考。

基于流固耦合的波箔动压气体轴承承载性能优化

基于有限元软件Ansys Workbench,建立波箔动压气体轴承在可压缩流体介质中运动的有限元模型,采用6DOF动网格计算方法对轴承的运动状态进行流固耦合数值模拟,探讨不同转速和波箔片结构参数(波箔的长度比、高度以及厚度)对轴承承载性能的影响规律。结果表明:轴承气膜压力大小的分布与平箔片变形量的大小成对应关系,说明提出的流固耦合方法能很好地反映波箔动压气体轴承的润滑状态;随着转速的增大,轴承动压效应不断增强,承载力增大,且平箔片的结构变形不断增大,致使气膜压力的收敛区发生波动;随着波箔的长度比和波箔片厚度的增加,轴承承载力先快速增大后趋于稳定,而波箔片高度对承载力影响不大,表明适当增加波箔的长度比和波箔片厚度可以提高承载力。

基于Workbench的高压圆盘气体轴承共轭传热研究

高压圆盘气体轴承流道间隙内高速气流的对流换热与轴承圆盘内部热传导紧密耦合在一起,是一个典型的共轭传热问题。基于ANSYS Workbench工作平台的Fluid Flow(Fluent)模块对高压圆盘气体轴承进行共轭传热数值模拟,获得轴承流道间隙内的速度和压力分布、流体域与固体域的温度分布以及共轭传热时流固耦合壁面的热流密度分布,并将其与非共轭传热恒温壁面条件下的计算结果进行对比,得到高压圆盘气体轴承共轭传热的一些基本特性。结果表明:2种情况下的计算结果存在较大差异,非共轭传热恒温壁面条件下,间隙内的气体只吸热,流体域耦合壁面上的热流密度均为正值;而共轭传热条件下流体域耦合壁面热流密度存在正负值,间隙内气体的吸热和放热同时存在,显示出轴承圆盘的热传导与间隙内气体的对流换热具有复杂的共轭作用机制;相比之下,采用共轭传热模型可以得到更为符合实际的结果。研究结果为该类轴承的设计和制造提供了有益的指导。

整体式平箔气体动压止推轴承静特性分析

整体式平箔气体动压止推轴承具备制造工艺简单,承载能力强等优点,其由多个带有独立波箔的轴承扇区组成,但具有一个完整的环形平箔片。为了探究该新型轴承工作机制和静特性,提出相应的静特性分析模型并利用循环边界耦合条件,设置气流入口与出口处压力相等,利用数值仿真分析整体式平箔止推轴承的转速、最小气膜厚度和楔形高度对其静特性的影响,并与相同工作条件下的分离式平箔轴承进行比较。研究结果表明:整体式平箔所设计的轴承在负载情况下平箔片会由楔形-台阶转变为楔形-平端的几何形状,单瓦扇区后缘因变形向上弯曲产生二次收敛间隙,因此形成2个气膜压力峰值,且由于轴承面积较分离式平箔所设计的轴承更大,因此承载能力会更高;由于平箔台阶处存在负压区,因此整体式平箔最优楔形高度区间延后于分离式平箔出现,当楔形高度在50μm左右时,能够达到较高承载能力并且摩擦力矩较小;当增加最小气膜厚度时,其承载能力与摩擦力矩均减小。

波箔片制造误差对径向波箔轴承静刚度的影响

为探究制造误差对径向波箔轴承的影响,基于Timoshenko梁单元建立波箔片变形的简化模型,基于ABAQUS建立波箔片的实体模型,并对比2种模型下波箔片的静刚度。结果显示,Timoshenko梁模型和实体模型的波箔片静刚度曲线较为吻合,且均呈线性变化。建立径向波箔轴承的实体模型,对轴颈进行位移加载,分析轴承的静刚度特性。结果显示,在考虑摩擦时,轴承的静刚度存在明显的滞回特性。设计存在2种不同误差类型的径向波箔轴承,并对其静刚度特性进行分析,发现波高误差对静刚度的影响大于波距误差,且控制起主要支承作用的波纹的波高误差能够有效降低制造误差对径向波箔轴承静刚度的影响。

基于Fluent动网格的径向气体轴承数值模拟

以双排孔径向气体轴承为研究对象,应用UG软件建立径向气体静压轴承的气膜模型,应用Fluent软件对气膜模型进行仿真分析。采用小扰动法即在轴颈上加载一个简谐激励代替主轴工作时的振动,结合动网格技术借助瞬态计算方法,计算出气体静压轴承的刚度和阻尼系数。研究了不同工作条件转速、偏心率以及供气压力对气体静压轴承刚度的影响规律,为气体静压轴承等相关设备的研究提供理论依据。通过实验对仿真方法进行验证,对比了仿真和实验结果,仿真值和实验值的误差不超过5.5%,证明仿真计算的可靠性。结果表明:转速和偏心率对于刚度和阻尼均有一定影响。当转速为250~1250r/min时,转速越大阻尼越小刚度越大;当偏心率为0.1~0.4时,偏心率越大阻尼越大刚度越小。

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。

径向不对中微织构气体箔片轴承静态特性分析

为进一步探究表面形貌对气体箔片轴承的影响,采用数值分析方法分析不对中情况下表面粗糙度和表面微织构对径向气体箔片轴承静特性的影响。利用超松弛迭代(SOR)和有限差分法对气体箔片轴承的Reynolds控制方程进行求解,通过模拟仿真分析不同微织构形状、深度、数量、占比以及表面粗糙度下轴承的静特性。研究结果表明:不同形状微织构对气体箔片轴承性能影响不同,椭圆形微织构提高轴承静特性的效果较好;微织构深度、数量和占比存在一组相对最优值,可在提升轴承承载力的同时降低摩擦力矩;与无微织构轴承相比,具有特定参数微织构的径向气体箔片轴承承载力提高了36.32%,摩擦力矩降低了1.66%。

摩擦对平行圆盘间隙中一维可压缩流动的影响分析

以平行圆盘间隙中一维可压缩理想流动分析结果为基础,在考虑平行圆盘间隙内面积变化和壁面摩擦时,通过理论推导及程序编制,利用预估-校正方法得到了平行气膜区气膜对称线上一维模型的马赫数及摩擦因数的分布规律。结果表明:对于一维模型而言,气膜对称线上的马赫数始终呈现下降的趋势,摩擦因数始终呈现上升的趋势,但摩擦因数在整个平行圆盘间隙中变化很小;对于不同材料的轴承圆盘,由于精加工工艺的不同会导致壁面相对粗糙度发生变化,进而使壁面摩擦因数发生显著变化,即摩擦因数受到相对粗糙度的影响很大;在计算过程中采用平均摩擦因数可得到相似的计算结果,并满足计算精度要求。

粘-惯性耦合节流静压气浮轴承微振动特性研究

小孔节流气浮轴承因结构简单、刚度较高等优点在超精密加工中获得了广泛的应用。然而由于小孔节流气浮轴承存在微振动,限制了超精密加工表面粗糙度的进一步提升。为了抑制小孔节流气浮轴微振动,文章提出了一种新型粘-惯性耦合节流气浮轴承,通过数值模拟的方法研究了新型节流器的结构参数对气浮轴承微振动特性的影响,在此基础上开发了试验平台对新型气浮轴承振动特性进行测试。研究结果表明,粘-惯性耦合节流气浮轴承均压腔内压力波动低于小孔节流,可以减小气浮轴承微振动;同时,增大渗透率和节流孔直径、降低均压腔高度均能减小粘惯性耦合节流气浮轴承微振动。

搭接-叠片式箔片气体动压轴承转子动力学特性实验研究

本文研制了由搭接式径向轴承和叠片式推力轴承组成的一套搭接-叠片式箔片气体动压轴承,同时设计并搭建了相应的箔片气体动压轴承转子实验台,通过多组转子降速对比实验研究了所提出箔片气体动压轴承的起飞特性,分析了转子不平衡量和外部载荷对该轴承-转子系统的转子动力学影响。起飞实验结果表明,本文所研制的搭接式径向箔片气体动压轴承的起飞转速约为7500 r/min,最大起飞转矩约为220 N·mm。转子降速实验研究结果表明,随着转子不平衡量的增加,转子系统1X频振动幅值逐渐增大、二阶临界转速逐渐降低、次频振动发生频率逐渐提前;随着转子转速的增加,转子系统1X频振动呈现先增大后减小的趋势、次频振动幅值整体逐渐增大;在减小顶箔结构的圆心距后,转子系统稳定性增加。不平衡量与外部载荷加载耦合实验结果表明,不平衡量与外部载荷都会激起系统的次频振动,次频振动幅值随转速升高而增大;并且在激起次频振动方面,不平衡量与外部载荷之间存在着相互放大作用。

基于Workbench的高压圆盘气体轴承三维流场分析

为了取得高压圆盘气体轴承的完整三维流场,基于Workbench仿真软件对高压圆盘气体轴承进行三维建模仿真,得到整个流道及圆盘缝隙射流区的流场参数分布;将三维模型的气膜对称面与轴承圆盘、稳流管的轴对称面相交,截得气膜对称线;分析气膜对称线上的流场参数分布,并将其与二维简化模型流场计算结果进行对比,同时验证2种建模分析方法的有效性。结果表明:2种建模分析方法得到的气膜内马赫数和静压分布的变化规律一致,即在绝大部分气膜区域能保持高压,仅在气膜出口处很窄的范围内压力快速下降,同时在气膜出口附近形成超音速圆盘缝隙射流,使上游气膜内高压不受下游环境低压的影响;不同湍流强度对高压圆盘气体轴承内流场的静压无明显影响,但对缝隙射流区及气流远场区域的马赫数有着小幅影响。

螺旋槽小孔节流动静压空气轴承颗粒冲蚀研究

为研究空气轴承在运转过程中细小颗粒对壁面冲蚀情况,借助三维建模工具建立动静压空气轴承模型,从连续方程、可压缩流体润滑方程、气体状态方程出发,推导出等温条件下稳态气体润滑Reynolds方程;结合离散相模型(DPM)颗粒平衡方程,分析颗粒运动轨迹和颗粒对壁面的最大冲蚀速率。借助Fluent仿真软件分析气源压力、主轴转速、粒径参数对气体轴承壁面冲蚀的影响。结果表明:随着粒径尺寸的增加,相同运行工况下,壁面冲蚀磨损速率呈现先增加后降低趋势;随着主轴转速的增加,壁面冲蚀磨损的面积在增加,但最大壁面冲蚀磨损速率在下降,同时壁面磨损面积向主轴正向旋转的方向延伸。

加工误差和形位误差对气浮主轴稳定性的影响

采用有限差分结合线性小扰动法研究静压气浮主轴加工误差(正弦波纹、矩形波纹、三角波纹)和形位误差对主轴临界惯性力和临界涡动比的影响。结果表明:随着偏心率增加,临界惯性力增大而临界涡动比减小;转速增大,临界惯性力增大,临界涡动比增大到极值后略微减小,小偏心率和高转速有利于提高主轴稳定性;正弦波纹提高主轴稳定性最显著,矩形波纹次之,三角波纹导致主轴稳定性降低;加工误差周期越小,主轴稳定性越好;误差周期较大时,波纹幅值增大,主轴稳定性下降;误差周期较小时,波纹幅值对主轴稳定性的影响可以忽略不计;形位误差导致主轴稳定性降低,x、y方向同时存在形位误差对主轴稳定性的影响大于x或y单一方向形位误差。

双排均布孔静压止推气体轴承参数仿真研究

为了提高机械设备的寿命和运行的安全性,该文建立了双排均布孔止推气体轴承气膜模型,并对带有均匀分布盘形均压槽与不带均压槽的气膜模型进行Fluent仿真,依据仿真结果给出双排均布孔止推气体轴承参数的最优区间。Fluent仿真结论显示:h的最优区间为0.01~0.02 mm;d的最优区间为0.1~0.5 mm;H的最优区间为0.3~1 mm;d_(1)的最优区间为2~6 mm;h_(1)的最优区间为0.02~0.04 mm;D的最优区间为2~6 mm;H_(0)可取2~5 mm,供气孔的深度H_(0)对双排均布孔止推气体轴承的承载力基本没有影响,根据整体结构、加工及装配取值即可。此结论为精密仪器和超高精密设备研制提供了参数依据。

节流孔直径和分布对静压气浮主轴稳态性能的影响

采用有限元法求解静压气浮主轴内气体流动雷诺方程,计算主轴承载能力、刚度和高度角等稳态性能,研究平均气膜厚度、偏心率、转速不同时直径系数(相邻节流孔直径比)和分布系数(相邻节流孔间隔比)对主轴稳态性能的影响。结果表明:直径系数减小或分布系数增大,承载能力和刚度增大而高度角减小;直径系数和分布系数不变,增大平均气膜厚度,承载能力和刚度减小,高度角先减小后增大;偏心率越大,承载能力越大,刚度越小;转速增加,高度角增大。较小的直径系数和较大的分布系数有利于提高主轴承载能力和刚度,降低高度角;较小的平均气膜厚度有利于提高主轴的承载能力和刚度,较大的偏心率主轴承载能力提高而刚度降低。