环形多孔节流空气静压轴承气膜流场分析

为提高空气静压轴承工作的稳定性,设计一种环形多孔节流空气静压轴承,建立其物理模型,并采用大涡模拟方法对轴承节流孔出口处附近计算区域的气膜流场进行分析。结果表明:空气静压轴承气膜压力在节流孔的出口附近气膜间隙上出现分离,但在远离节流孔的出口气膜压力曲线是重合的;节流孔数为9时轴承节流孔出口处的最大压降幅度为节流孔数为1时的26%左右,最大速度突升幅度为节流孔数为1时的43%左右,表明增加节流孔的孔数可以显著减小节流孔的出口附近压力的突降、速度的突升,提高轴承工作稳定性;在空气静压轴承工作过程中,节流孔出口处附近压力和速度的突变会产生微振动现象,而采用环形多孔节流可显著降低微振动现象。

螺旋槽干气密封气膜流场数值分析及参数研究

基于计算流体动力学(CFD)的动压效应理论,建立了螺旋槽干气密封气膜流场控制微分方程并进行建模,确定了计算区域。根据文献给出的实验数据,采用FLUENT对气膜压力场进行求解,得到了密封计算区域动环端面处气膜压力沿半径方向的分布。本文对干气密封的稳态特性、槽型几何参数对密封性能(泄漏量和气膜刚度)的影响进行分析研究,并结合文献实验数据对螺旋槽干气密封端面槽型参数进行优化,以保证最低泄漏量的同时得到最大气膜刚度,从而为进一步的研究奠定基础。

干气密封气膜流场数值分析

基于计算流体动力学(CFD)中的动压效应基本理论,建立了T型槽干气密封气膜流场控制微分方程,采用CFD软件包Fluent工具对气膜压力场进行求解,得到了计算区域径向压力的分布,由此得出T型槽干气密封能产生较好的流体动压效应的结论,并就部分槽型几何参数对密封性能中的无量纲开启力和气膜刚度的影响进行分析,得到了部分参数的最佳值.

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。

气体静压导轨气膜振动的数值模拟

气体润滑气膜振动现象对超精密加工与测量的精度有重要影响,为了研究气膜振动的成因,本文应用了k-ε湍流模型,对双节流孔的气膜流场压力的振动进行了数值分析.气膜厚度、气膜入口流场条件和双节流孔的间距分别单独调整以分析其对气膜振动的影响.分析结果显示:气膜参数决定了流场的特性,气膜厚度减小将会增大导轨的承载能力;周期性的气膜入口流速将增大气膜的振动;双节流孔的间距增大也会大大增加振动.

新型箔片动压气体轴承气膜承载力研究

以箔片动压气体轴承为研究对象,针对箔片的结构特点进行轴承结构设计与改进。考虑气体可压缩性对轴承动力学特性的影响,利用FLUENT软件模拟轴承内气膜的二维、三维流场分布,分析轴承气膜的承载力变化情况。以刚性气体圆轴承为比较对象,改变箔片的结构参数,获得不同结构的箔片动压气体轴承的承载特性变化规律。结果表明:波宽相同的情况下,全波箔片轴承与上波箔片轴承的承载力随波高的增大而下降,下波箔片轴承的承载力随波高的增大而增大直至平缓,且远大于其他类型的箔片轴承。

端面变形锥角对干气密封性能影响的数值模拟

多数干气密封端面流场分析是在假设平行间隙的前提下进行的,而工作状态下由于力变形和热变形的共同作用,两密封环的端面呈近似线性收敛型的楔形间隙。作者对平行及不同锥角的收敛型气膜流场进行了模拟分析,讨论了端面变形锥角对干气密封性能的影响。使用ANSYS软件对气膜流场模型进行前处理,对于流场中气体密度和黏度的变化,采用用户自定义函数(UDF)将密封介质的密度和黏度定义为压力的函数,再利用Fluent软件对气膜流场进行数值模拟计算。发现本文采用的变密度变黏度方法对干气密封楔形气膜流场的模拟是可行的。收敛型气膜锥角β使气膜径向压力分布发生改变,压力分布为连续光滑的上凸曲线。与平行间隙对比,发现其螺旋槽槽根处的压力明显下降,但随着β的增大,压力下降速度越来越缓。在相同的工况下,随着β的增大,总体气膜厚度增加,而端面内径处膜厚先减小后增加,外径处膜厚和泄漏量随着锥角的增大一直增加,并且在某一锥角后泄漏量增加明显。在0≤β≤ 0.000 50 rad的范围内得出膜厚和泄漏率与β的关系式,并建议0≤β≤0.000 30 rad。随着β的增大,端面螺旋槽产生的气体动压效应作用减弱,而端面径向楔形效应作用增强并起到使端面开启的主导作用。

新型波箔型径向气体轴承承载特性研究

基于波箔型轴承的结构特点,提出和设计平箔片与波箔片结构耦合的新型箔片轴承,包括波箔片覆盖轴承整个圆周、上半周和下半周的3种动压径向气体轴承。考虑气体的可压缩性,模拟箔片轴承的二维气膜流场,对新型箔片轴承的承载特性进行分析,并与刚性气体圆轴承的承载特性进行比较。结果表明,波箔片覆盖轴承下半周的下波箔片轴承的承载力明显优于其他轴承。通过改变下波箔片轴承波箔的波数、波宽、高度等结构参数来进一步模拟气膜流场变化。结果表明,在满足箔片结构稳定的情况下,下波箔片轴承承载力随波数及波宽的增加而增加,随波高的增大而呈现先急剧增大再缓慢减小的趋势。

超精密气体静压系统节流器法向随机微振动研究

以无气腔平面节流器为研究对象,对节流器流固耦合法向随机微振动进行了理论仿真和实验研究。受限于节流器厚度与气膜厚度尺寸的差异和输入初始边界条件,建立了节流器的COMSOL仿真简化模型,对节流器气膜微流场进行双向流固耦合数值模拟。仿真结果表明,节流器的法向随机微振动幅值关于节流器中心对称,且由中心向边缘逐渐增大;微振动幅值随气体入口流速的增大而增大。实验采用纳米级激光测振仪,依次测量供气压力为0.1,0.2,…,0.5 MPa时尺寸为75 mm×50 mm×14 mm的HEXAGON双环联结型节流器多个不同位置的法向振动,实验结果表明,法向随机微振动幅值分布特性与仿真结果一致,关于节流器中心对称,且由中心向边缘逐渐增大,验证了节流器法向微振动的“跷跷板”振动形式;在0.5 MPa供气压力下,边缘振动幅值超过1 nm。对实验数据进行功率谱密度分析,结果表明不同供气压力下法向随机微振动均在9.4 kHz和10.6 kHz处产生较大功率,可认为与节流器气膜流固耦合系统的固有频率有关。研究结果有效地揭示了节流器法向随机微振动的特性,为气体静压系统避开随机共振区、优化气体静压系统的设计提供了理论指导。

可倾瓦节流器气膜参数测量装置与实验

针对可倾瓦径向小孔节流器气膜场参数(压力、温度)难以测量的问题,本文设计了一种曲面节流器气膜流场参数自动化测量装置,并进行了实验研究。测量装置主要采用Z向无回程间隙结构、XY二维导轨和一体式曲面转动测量结构,实现固定曲率半径的柱面形曲面气膜流场参数的测量。利用该装置,分别在气膜厚度为5μm和10μm、供气压力为0.4 MPa和0.6 MPa的条件下进行测试实验,实验表明该装置能够有效测量可倾瓦径向节流器的气膜流场压力分布和温度分布。实验结果表明,可倾瓦径向节流器气膜压力分布呈现出由节流孔向四周逐渐减小的趋势;气膜温度在节流孔处最低,然后产生骤升现象并过渡至环境温度。本装置提供了一种有效测量可倾瓦径向节流器的气膜场参数的方法,为可倾瓦曲面节流器的实验研究提供了参考途径。