狹縫節(jié)流氣體動靜壓軸承的承載特性解析

撰文/龔希美 張洪 張漢山

■450007 中原工學(xué)院機(jī)電學(xué)院 河南 新鄭

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狹縫節(jié)流氣體動靜壓軸承的承載特性解析

撰文/龔希美 張洪 張漢山

■450007 中原工學(xué)院機(jī)電學(xué)院 河南 新鄭

靜壓軸承的加壓氣體是從外部向內(nèi)輸入的，通過節(jié)流器向軸承中進(jìn)入，進(jìn)而發(fā)揮出潤滑功效。因此，其主要特征即為節(jié)流效應(yīng)；對應(yīng)的，動壓軸承是憑借軸承轉(zhuǎn)動而生成轉(zhuǎn)速，因?yàn)樵跉怏w的動力影響下出現(xiàn)了動壓效果，進(jìn)而發(fā)揮潤滑的功能，其主要特征是速度效應(yīng)。因此，分析計(jì)算動靜壓軸承的承載性能就會更加復(fù)雜，所以，就需要我們在實(shí)際工作中不斷的總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，做到具體問題具體分析。狹縫節(jié)流氣體；動靜壓軸承；承載特性

軸承有限元模型分析

混合潤滑軸頸軸承是狹縫節(jié)流節(jié)流氣體動壓軸承中重要的組成部分，如下圖所示，為該軸頸的主要結(jié)構(gòu)示意圖：

在上圖中，轉(zhuǎn)子直徑用字母D表示，軸承的長度用L表示，偏心量用e表示，大氣壓力和供氣壓力用Pa 和Po來表示，節(jié)流狹縫入口處的直徑可以用Ds來表示，轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速可以用w表示。

用平面的形式將軸軸承氣膜展開，然后變化其相容性，就是將軸頸的半徑R選取出來作為長度參照數(shù)值，軸向坐標(biāo)可以用x表示，展開軸頸后的周向坐標(biāo)可以用z來表示，狹縫的中心角坐標(biāo)可以用φ表示，徑向坐標(biāo)用r表示。將兩個(gè)變化制定出來，就軸頸部分而言，令z/R = Z，這樣φ= z；就狹縫而言，lnr = g，可以在準(zhǔn)迪卡爾坐標(biāo)系中反射柱坐標(biāo)系，下圖為變化以后的坐標(biāo)系。節(jié)流狹縫部分及承載氣膜部分的雷諾方程式為：

在整個(gè)式子中，氣膜的壓力用p表示，氣膜壓力的平方用f表示，氣膜的厚度用h表示，狹縫的寬度用a表示，A的值為12wR，并且它是因?yàn)檗D(zhuǎn)速而產(chǎn)生的軸承數(shù)。

為了把雷諾方程降低一級，可以應(yīng)用加權(quán)余量法，而且需要將給整個(gè)計(jì)算域完成離散化處理，這時(shí)就可以應(yīng)用到三角形單元。通過靜壓效應(yīng)，會有單元剛度過陣出現(xiàn)在承載氣膜區(qū)，并且，還有單元剛度矩陣存在于轉(zhuǎn)速中。

通過分析能夠發(fā)現(xiàn)，大氣邊界與供氣邊界上的節(jié)點(diǎn)壓力平方為基本的邊界線。能夠明確的是，因?yàn)檗D(zhuǎn)速的影響，并非能夠用線性方程組將最終所形成的壓力方程組表示出來，因此，可以通過收斂方便、適應(yīng)性強(qiáng)的最小二乘法進(jìn)行方程求解，將各個(gè)點(diǎn)的壓力求解出來后，在將承載能力計(jì)算出來。因?yàn)檗D(zhuǎn)速會對其帶來影響，動壓承載能力和靜壓承載能力的矢量和即為總的承載能力。當(dāng)中，動壓承載力可以用Wd表示，靜壓承載力為Ws，總的混合承載力為WH。

分析有限元計(jì)算結(jié)果

a軸承轉(zhuǎn)速影響著承載能力

下圖展示出了軸承轉(zhuǎn)速對承載剛度、姿態(tài)角、承載能力等方面所帶來的影響。能夠看出，在不斷的提升了轉(zhuǎn)速之后，因?yàn)樵谀撤N程度上提升了動壓效果，相應(yīng)的也會增加剛度和承載能力；而且，具有越大的偏心率，就會有著越為明顯的動壓效果。然而，盡管轉(zhuǎn)速會不斷的升高，可是承載的能力并非會跟著其提升，當(dāng)在某種程度下控制了轉(zhuǎn)速之后，就不會再增大承載的能力。隨著不斷升高的轉(zhuǎn)速，姿態(tài)角會先變大然后再變小，之后就會控制在一定的數(shù)值范圍內(nèi)。

b氣膜間隙影響著承載能力

對于有轉(zhuǎn)速動態(tài)條件下和無轉(zhuǎn)速靜態(tài)條件下的軸承運(yùn)行情況，可以通過下圖來進(jìn)行分析與觀察。通過分析能夠發(fā)現(xiàn)，軸承的承載能力會受到不同氣膜間隙的影響，同時(shí)，能夠發(fā)現(xiàn)，在靜態(tài)基礎(chǔ)上，有著一個(gè)最為合適的匹配值ho/a = 2.5存在于節(jié)流狹縫寬度和承載氣膜間隙中，這樣就會有著最大的承載能力，但是，在動態(tài)的基礎(chǔ)上，特別是存在較高轉(zhuǎn)速的時(shí)候，因?yàn)閯訅含F(xiàn)象所帶來的影響，一旦有著越小的氣膜間隙，就會有著越大的承載能力，進(jìn)而也會具有越大的剛度。因此，一旦軸承在較高的轉(zhuǎn)速下工作，并且會較高的要求著支撐剛度，在設(shè)計(jì)的過程中，可以將氣膜的間隙適當(dāng)?shù)臏p小，進(jìn)而增大動壓效果所帶來的一些影響，將剛度和承載能力提升。

c軸承程度會影響到承載能力

在動態(tài)和靜態(tài)條件下，承載能力會受到不同軸承長度的影響。能夠清晰的發(fā)現(xiàn)，在增大了軸承的長度之后，在動壓作用下，也會明顯的提升承載能力；對應(yīng)的，也會提升其剛度，這就表明，在增加了軸承的長度之后，能夠?qū)訅旱男Ч黠@增大，將承載能力提升。

d軸承里面壓力狀況

還是在動態(tài)和靜態(tài)的條件下，需要對比分析軸承內(nèi)部的壓力，能夠發(fā)現(xiàn)，在靜態(tài)的狀態(tài)下，順著圓周的方向，壓力會呈現(xiàn)出左右對稱的情況，通常周圍壓力會低于節(jié)流狹縫出口處的壓力。對應(yīng)的，動態(tài)狀況下，特別是存在著較大的偏心、較高的轉(zhuǎn)速時(shí)，這樣壓力在動壓效果的影響下，順著圓周的方向不會再出現(xiàn)對稱的現(xiàn)象；并且，供氣壓力也會小于局部區(qū)域內(nèi)的氣膜壓力，進(jìn)而就會有負(fù)拱壓現(xiàn)象出現(xiàn)在其中，而且通過節(jié)流狹縫將局部的氣體流出來；對應(yīng)的，會有負(fù)壓現(xiàn)象出現(xiàn)在另外一些區(qū)域內(nèi)。

結(jié)語

綜上所述，在對狹縫節(jié)流氣體動靜壓混合軸承承載特征進(jìn)行研究時(shí)，可以應(yīng)用有限元分析法。將數(shù)值計(jì)算模型購構(gòu)建起來，然后，對 氣膜的間隙、軸承的長度、供氣壓力和軸承的轉(zhuǎn)速進(jìn)行了分析，進(jìn)而能夠發(fā)現(xiàn)，這些因素都會在某種程度上影響到軸承的承載能力。計(jì)算得出，越高的轉(zhuǎn)速，就會有著越明顯的動壓效果，從而就會有著越大的承載能力，就會有越大的姿態(tài)角度，較小的氣膜間隙，對應(yīng)的，就會有越突出的動壓效果，將軸承長度增加，能夠?qū)訅旱男Ч@著提升，從而將整個(gè)承載能力提升上來。那么，通過文章上文的分析，可以清晰的掌握與了解狹縫節(jié)流氣體動靜壓軸承的承載特性，為相關(guān)工作人員在實(shí)際工作中提供一定的理論支撐。

參考：

［1］杜建軍，劉暾，謝大綱，姚英學(xué).狹縫節(jié)流氣體動靜壓軸承的承載特性分析［J］.哈爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào).2011（01）：563-565.

［2］張廣輝.高速動靜壓混合氣體軸承轉(zhuǎn)子系統(tǒng)動力學(xué)特性研究［J］.哈爾濱工業(yè)大學(xué).2011（01）：896-897.

［3］向洋，陳瀚，陳學(xué)東.周期分布壓力腔的小孔節(jié)流圓形靜壓氣體軸承靜動態(tài)特性研究［J］.武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào).2012（02）：789-791.

［4］張雯，尹健龍，張玉冰，沈小燕，李東升.多微通道式氣體靜壓節(jié)流器承載力研究［J］.機(jī)械工程學(xué)報(bào). 2012（20） ：632-633.

［5］陳昌婷.高速氣體軸承結(jié)構(gòu)性能分析與實(shí)驗(yàn)研究［D］.中國科學(xué)院研究生院（工程熱物理研究所）.2014.

作者簡介：

龔希美，（1990-），女，河南新鄉(xiāng)人，民族：漢，職稱：學(xué)生，學(xué)歷：研究生。研究方向：氣體潤滑軸承，超精密機(jī)械。