基于二阶滑移边界的螺旋槽干气密封气膜刚度计算与分析

应用二阶非线性滑移边界条件推导出修正的广义雷诺方程,并用PH线性化方法、迭代法对非线性雷诺方程近似求解,得到气膜推力的近似解析式,继而对其进行气膜厚度的求导,得到气膜刚度的近似解析式。并利用Maple程序计算不同转速和压力下的气膜刚度数值,并与一阶线性滑移边界条件下的气膜刚度和试验数值进行对比。结果表明:随着气膜厚度的增加,二阶非线性滑移边界条件下的气膜刚度随之减小,且呈非线性关系;随着介质压力、转速的增加,气膜刚度也随之增加,且呈线性关系;二阶非线性滑移边界条件下的气膜刚度数值比一阶线性滑移边界条件下的气膜刚度数值更接近试验数值,其计算精度较高,特别是在低速、低压工况下更加明显。因此在低速低压釜用轴端干气密封中将应用二阶速度滑移条件下的流体力学理论来进行优化设计,指导工程应用。

非接触动密封螺旋槽气膜刚度数值模拟与分析

利用Solidworks软件对螺旋槽干气密封端面五种不同气膜厚度进行三维立体模型建模,采用FLUENT前处理功能对其进行网格划分。在特定工况下,利用Fluent流场计算软件对五种端面微尺度流场模型进行数值计算,求出压力沿径向分布和气膜厚度对应的开启力,基于最小二乘法原理基础上,求出开启力与厚度的五次多项式,在对多项式关于气膜厚度求导,得出气膜刚度与气膜厚度的四次多项式。结果表明:气膜刚度随着气膜厚度的增大而减小,且随着气膜厚度的增加气膜刚度随厚度变化曲线趋于平稳,为了使干气密封长期安全、稳定的工作,端面气膜应有足够大的刚度。

基于CFD的螺旋槽干气密封气膜刚度的计算

应用Gambit软件建立三维螺旋槽干气密封模型,并对其进行网格划分。在相同特定工况下,运用Fluent软件对6种不同气膜厚度的螺旋槽干气密封内部微间隙三维流场进行数值模拟,得到其流场的压力分布及径向压力分布。通过不同厚度的气膜所产生的动压来获得它们的气膜推力,再利用最小二乘法则拟合得到了气膜推力关于气膜厚度的解析式,求得气膜刚度。结果表明,气膜刚度是关于气膜厚度的负指数函数,通过与试验进行对比,证明了利用此函数来求解气膜刚度是正确的。

螺旋槽干气密封气膜刚度测试与稳定性分析

干气密封的关键技术是动压效应和稳定性问题,而气膜刚度是影响振动稳定性的主要参数之一。采用高精度改进型的电涡流微型传感器和Labview软件,并采用一系列的抗干扰措施,建立了螺旋槽干气密封的测试系统。通过测量干气密封的轴向静环振幅和轴向气膜振幅,而获得气膜刚度,并分析了其气膜振动的稳定性。试验研究表明:随着转速的增加和压力的升高,气膜刚度随之增大,气膜稳定性越好。本例中:压力变化范围为0.2-0.5MPa,转速变化范围为500-3000 r/min,得气膜刚度值的变化范围为0.01-0.03 kN/μm,且气膜刚度分别与压力和转速基本成线性关系;试验中测试了三种不同螺旋角的样机,得螺旋角为74°时,气膜刚度最大,气膜稳定性最好,选取合适的螺旋角可增加气膜的稳定性,从而对结构参数的优化提供了指导。

螺旋槽结构参数对干气密封开启力和气膜刚度的影响

采用ANSYS软件的参数化设计,在对螺旋槽干气密封端面流场进行数值计算的基础上,研究了螺旋槽结构参数对开启力和气膜刚度的影响.综合考虑较大的开启力和气膜刚度,计算结果表明,较适宜的动环结构参数为：螺旋槽数Ng=15—17个,螺旋角α=14°~20,°槽深Hg=5μm,槽长坝长比γ=0.625~0.705,槽台宽比δ=1.2~1.5.

螺旋槽干气密封微尺度气膜刚度计算与测试

应用二阶非线性滑移边界条件推导出修正的广义雷诺方程,用PH线性化方法、迭代法对非线性雷诺方程近似求解,得到气膜推力的近似解析式,对其进行气膜厚度的求导,得到气膜刚度的近似解析式,并与试验数据进行对比且两者误差较小。结果表明:随着气膜厚度的增加,理论气膜刚度随之减小,且呈非线性关系;随着转速、介质压力的增加,理论气膜刚度也随之增加,且呈线性关系;理论气膜刚度数值比试验气膜刚度数值略小,这是由于计算误差和试验中干扰误差所造成,为优化槽型结构参数提供准确理论基础。

热耗散下螺旋槽干气密封气膜刚度的计算与分析

通过二阶非线性滑移边界条件下的雷诺方程并用PH线性化方法和迭代法求得螺旋槽内的气膜推力和气膜压力,并推导了其气膜厚度,得到二阶非线性滑移边界条件下气膜刚度的近似解析式,推导出考虑热耗散下的气膜能量微分方程;利用气膜的压力、能量方程、二阶非线性滑移边界条件下气膜刚度的近似解析式,通过Matlab软件求得螺旋槽内气膜刚度在不同压力、转速、槽深、螺旋角下的分布。结果表明:随着压力、转速、槽深的增大,气膜刚度随之增大,并在槽根部附近达到最大值,且气膜刚度的变化呈非线性;在槽深为6μm、介质压力为0.4MPa、转速为8700r·min-1、环境压力为101.3k Pa的工况下,螺旋角为75°左右时,气膜刚度最大。通过本文设计的在不同介质压力下的试验表明,通过能量微分方程计算所得的考虑热耗散下的气膜刚度数值比不考虑热耗散的气膜刚度数值更接近试验值。本文结果对优化干气密封结构参数、提升干气密封性能十分重要。

静压干气密封的开启力与气膜刚度的计算

针对静压干气密封气膜压力分布算法效率较低或收敛性较差等问题提出一种改进的有限差分算法,采用该有限差分法求解小孔节流式静压干气密封气膜的非线性雷诺方程;基于流量平衡原理,提出了变步长逐步逼近的迭代算法,使得有限差分算法的计算效率、稳定性和收敛性大大提高,并且保证有限差分法在小间隙气膜下的稳定性和收敛性.通过MATLAB数值软件编写求解静压干气密封气膜的压力分布程序.分析了干气密封的气膜厚度对气膜开启力以及气膜刚度的影响.结果表明,径向压力由节流孔向内径和外径方向呈近似抛物线状下降,压力最大值出现在节流孔处,为3.756MPa,最小值为0.212MPa;端面气膜开启力随气膜厚度的增大而减小;在一定的工况下,随着气膜厚度的增大气膜刚度逐渐减小.

拟合曲线槽干气密封气膜刚度的计算及测试

推导了两光滑平板间干气密封微尺度流动场的非线性雷诺方程,应用PH线性化方法、迭代法对非线性雷诺方程近似求解,得到气膜压力的近似解析式;利用极坐标下的流线方程,通过Maple程序求解压力方程和流线方程得到流线,此流线就是符合条件的拟合曲线。对拟合曲线槽干气密封气膜刚度进行计算与测试,并与螺旋槽进行比较。研究结果表明:在相同工况下,拟合曲线槽干气密封气膜刚度比螺旋槽大,且气膜刚度比螺旋槽稳定,这在工程实践中具有重要意义和应用价值。

超精密加工机床空气静压主轴系统径向气膜刚度分子动力学模拟

针对计算流体力学对超精密加工机床空气静压主轴系统进行动力学分析时的大跨尺度建模问题,该文基于分子动力学模拟基本原理和相似理论,利用LAMMPS开源软件和雷诺相似准则建立了超精密加工机床空气静压主轴系统的分子动力学微观模型。通过与文献算例比较验证了该模型的准确性,并进行了仿真分析。结果表明,在一定范围内,空气静压主轴径向气膜刚度随气膜厚度的增大而非线性减小,随主轴转速的增大而非线性增大,随进气压力的增大而非线性增大。

釜用静压干气密封气膜刚度的数值模拟

应用SolidWorks软件建立了6种不同膜厚下的静压干气密封三维几何模型。在确定的工况下,运用Fluent软件对6种不同气膜厚度下的静压圆弧槽干气密封内部的微间隙三维流场进行了数值模拟,得到6种流场的压力分布。计算得到不同气膜下的开启力,再利用最小二乘法原理拟合得到气膜开启力关于气膜厚度的函数多项式,通过对气膜厚度进行求导得到气膜刚度与气膜厚度的函数多项式。计算结果表明,气膜刚度随着气膜厚度的增大而减小,为了使静压干气密封稳定工作,端面气膜需要产生足够大的刚度。

静压空气轴承的气膜刚度

通过试验方法阐述了确定空气轴承气膜刚度的方法

浮环气膜密封径向刚度数值模拟与分析

针对浮环气膜密封在运行过程中气膜刚度较低,密封副易碰磨的问题,提出了在轴套表面开设微槽提高气膜承载力进而提高气膜密封系统的稳定性。基于气体润滑理论,建立了浮环气膜密封的稳态特性数学分析模型,并采用有限差分法进行对压力场进行了求解,计算获得了浮环气膜密封的稳态特性参数,并探究了不同工况及结构参数对气膜径向刚度的影响规律。分析结果表明:随着压强、转速和偏心率的增大都可引起气膜浮升力的提高及径向气膜刚度增大,从而改善了密封系统的稳定性,其中转速为20000r/min,入口压力为0.9MPa时,偏心率取值0.6和螺旋角取值30°时,气膜承载力最佳,气膜刚度最大,可显著提升密封装置维稳和抗振性能。该研究对浮环密封系统设计提供了一定的参考。

不同端面几何结构气膜密封的刚度与自振稳定性

分析了气膜密封的端面几何结构及其刚度与自振稳定性的内在关系 ,认为2

基于特征谱信号抑制的气膜刚度测量技术

针对动压轴承气膜刚度测量中转子形状误差、质量偏心、表面缺陷等具有周期性频谱特征的扰动信号抑制问题,提出基于特征谱信号抑制的气膜刚度测量技术。采用傅立叶分析的方法分析信号频谱,选取能量相对集中的与转速相关的扰动信号为抑制目标信号,通过对原始采样序列引入目标信号半周期的相位移动,产生与目标信号符号相反的虚拟采样序列,将虚拟采样序列与原始采样序列相加实现对特定频率扰动信号的抑制。基于这种信号处理方法,研制了基于激光三角激光位移传感器测量的自重法动压轴承气膜刚度测量仪。实验证明,由质心偏移测量误差引入的气膜刚度测量实验标准不确定度为5.5×10-3N/μm。

螺旋槽干气密封润滑气膜角向涡动的稳定性分析

螺旋槽干气密封操作的稳定性和可靠性与其槽形参数密切相关,优化槽形参数一直是该领域研究的热点。应用PH线性化方法及变分运算干气密封螺旋槽内瞬态微尺度流动场的非线性雷诺方程,得到了气膜角向涡动刚度的解析式。继而利用复数转换和迭代法对稳态下气膜边值问题进行求解,求得了气膜涡动刚度的近似解析解。通过动态稳定性分析,获得了不同介质粘度、压力和转速下稳定性最佳的螺旋角数值。研究结果表明:随介质压力和转速增大,气膜涡动刚度越大,稳定性越好。

轴向微扰下干气密封螺旋槽润滑气膜的稳定性分析

推导了干气密封螺旋槽内瞬态微尺度流动场的非线性雷诺方程,应用PH线性化方法及变分运算,得到了轴向微扰下气膜反作用力的增量,继而利用复数转换和迭代法对静态下气膜边值问题进行求解,获得了气膜轴向刚度的近似解析解,并通过动态稳定性分析,获得了稳定性最佳的螺旋槽几何参数值。

干气密封端面气膜压力及开启力的数值模拟

为了全面了解干气密封端面流场特性,基于N-S方程、层流模型、SIMPLEC算法,在端面间隙和转速的多种变化情况下,对干气密封端面流场进行数值模拟,重点考察了端面气膜压力及开启力的变化情况.数值结果表明,端面气膜压力总是在槽台交界处产生较大变化,在气体流出的槽台交界处产生流体动压力,而在气体流入的槽台交界处存在局部负压区域,会削弱端面开启力和气膜刚度.通过合理设计槽形,增大正压区域的同时减小负压区域,可提高端面开启力和气膜刚度.对比分析表明,通过优化槽形可大大提高端面开启力和气膜刚度,使密封更稳定.

反转轴间气膜密封振动过程分析

对一种双端面反转轴间气膜密封因外界扰动而引起的振动进行了研究,用有限元方法计算了两个端面的气膜刚度和阻尼,分析了瞬态扰动力作用下前密封跑道和主密封环的振动过程,并研究了系统质量、压力等因素对振动的影响。结果表明,系统的自由振动频率主要由前密封跑道质量决定,主密封环质量对自由振动频率影响较小;同一密封跑道质量对应的不同的环道质量对系统的振动收敛时间影响不大;系统的压差越大,所能承受的扰动力越小,越易瞬时振动失稳。该计算结果对气膜密封的动力学响应分析具有一定的指导意义。

反转轴间气膜密封动特性分析

用有限元法计算了双端面期末密封两端面的气膜刚度和阻尼,分析了密封跑道质量和主密封环质量对气膜刚度和阻尼的影响,并对瞬态扰动力作用下前密封跑道和主密封环的振动过程进行了讨论.结果表明:膜厚对气膜刚度和阻尼影响较大,在膜厚小于5μm下尤为明显;系统的自由振动频率主要由前密封跑道质量决定,主密封环质量对自由振动频率影响较小;同一密封跑道质量对应的不同环道质量比对系统振动的收敛时间影响不大.