小孔節(jié)流器出口圓角對空氣靜壓止推軸承性能的影響*

李　祥　王　杰　陽　紅　崔海龍　方　輝

(① 四川大學(xué)制造科學(xué)與工程學(xué)院,四川 成都 610065;②中國工程物理研究院機(jī)械制造工藝研究所，四川 綿陽 621900)

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小孔節(jié)流器出口圓角對空氣靜壓止推軸承性能的影響*

李祥①王杰①陽紅②崔海龍②方輝①

(① 四川大學(xué)制造科學(xué)與工程學(xué)院,四川 成都 610065;②中國工程物理研究院機(jī)械制造工藝研究所，四川 綿陽 621900)

以小孔節(jié)流空氣靜壓止推軸承為研究對象，求解出軸承氣膜間隙內(nèi)的壓力與速度分布，分析了節(jié)流孔出口處圓角值不同對軸承性能的影響。結(jié)果表明：當(dāng)氣膜間隙不變時(shí)，在一定范圍內(nèi)，節(jié)流孔出口圓角半徑值越大，軸承承載力越大，流場中最高流速越低；節(jié)流孔出口圓角半徑值過大，流場中會出現(xiàn)氣旋，降低軸承的穩(wěn)定性。

氣體靜壓軸承；小孔節(jié)流器；氣膜；承載力；氣旋

靜壓空氣潤滑軸承利用氣膜支承載荷，是一種理想的支承元件。由于氣膜的均化作用以及其極小的摩擦因數(shù)，與滾動(dòng)軸承及油潤滑滑動(dòng)軸承相比,氣體軸承具有速度高、精度高、功耗低和壽命長等諸多優(yōu)點(diǎn)[1-2]。近幾年來在機(jī)床行業(yè)、高速和精密機(jī)械工業(yè)、醫(yī)療器械工業(yè)等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛[3]。

小孔節(jié)流作為空氣靜壓軸承的典型節(jié)流方式得到了較多的應(yīng)用。由于空氣靜壓軸承存在承載力低和穩(wěn)定性較差的問題，如何提高其承載力和穩(wěn)定性成為人們關(guān)注的重點(diǎn)[4-5]。目前有學(xué)者[6-7]分析了小孔節(jié)流靜壓氣體軸承內(nèi)氣體的流動(dòng)特性，并證明漩渦是導(dǎo)致靜壓氣體軸承產(chǎn)生自激振動(dòng)的直接原因。文獻(xiàn)[8]通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了兩種不同氣腔結(jié)構(gòu)的小孔節(jié)流靜壓氣體軸承的振動(dòng)特性，分別為節(jié)流孔與氣腔之間采用直角連接(S-Type)和圓角連接(R-Type)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明R-Type比S-Type軸承振動(dòng)小，但并未研究它的承載力等性能與圓角半徑值的關(guān)系。

本文以單個(gè)小孔節(jié)流的止推軸承為研究對象，節(jié)流孔出口采用圓角連接結(jié)構(gòu)，運(yùn)用計(jì)算流體力學(xué)分析軟件 FLUENT[9]建立軸承中流體的模型。通過流場分析，研究節(jié)流孔出口圓角值改變，對軸承承載力和穩(wěn)定性的影響。

1　靜壓氣體止推軸承的建模

1.1數(shù)學(xué)模型

靜壓止推軸承內(nèi)空氣滿足控制空氣流動(dòng)的Reynolds方程式，即氣膜壓力分布的數(shù)學(xué)模型[10]為：

(1)

式中:h為氣膜厚度;p為氣膜壓力；vxh為氣膜空氣沿x方向速度分量在z坐標(biāo)為h時(shí)的速度邊界值;vyh為氣膜區(qū)空氣沿y方向速度分量在z坐標(biāo)為h時(shí)的速度邊界值。

氣體潤滑的主要特征表現(xiàn)為氣體的可壓縮性,式(1)是氣體軸承性能計(jì)算的基本方程,此非線性偏微分方程很難用數(shù)學(xué)方法求得解析解[11]。

1.2幾何模型

單孔止推軸承的結(jié)構(gòu)示意圖如圖1，圖中結(jié)構(gòu)參數(shù)：L為節(jié)流小孔深度，d為直徑，h為氣膜厚度，R為小孔出口圓角半徑。

2　仿真計(jì)算與結(jié)果討論

2.1計(jì)算流體力學(xué)模型及邊界條件

建模時(shí)，主要考慮空氣在節(jié)流小孔以及氣膜中的流動(dòng)。根據(jù)軸承的對稱性，簡化為二維軸對稱模型，可以減小計(jì)算量，并提高計(jì)算速度。利用Geometry模塊建立模型并在Mesh中完成網(wǎng)格的劃分，整個(gè)流體區(qū)域采用四邊形結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分，節(jié)流孔出口附近氣體流速與壓力變化迅速，采用致密的網(wǎng)格以提高計(jì)算精度;劃分后的網(wǎng)格如圖2所示。

將Mesh 中生成的空氣靜壓止推軸承流場網(wǎng)格模型導(dǎo)入 FLUENT 中，分析氣膜壓力分布情況、流場速度以及氣膜承載力。求解器設(shè)置選用基于壓力的求解器(pressure based)，空間設(shè)置為軸對稱，模型采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型，材料為理想空氣。邊界條件設(shè)置：進(jìn)口壓力為0.5 MPa，出口壓力為0 Pa(即環(huán)境壓力)，壓力速度耦合算法設(shè)置為 SIMPLIC 算法。

2.2仿真結(jié)果分析

選取空氣靜壓止推軸承的直徑D=50 mm，節(jié)流孔深度L=0.3 mm，節(jié)流孔直徑d=0.1 mm，氣膜厚度h=10 μm，節(jié)流孔出口圓角半徑從0～100 μm變化，分析其對空氣靜壓止推軸承性能的影響。

2.2.1節(jié)流孔出口圓角對壓力場的影響

通過 ANSYS FLUENT 模塊對軸承流場進(jìn)行流體分析，可以獲得氣膜內(nèi)每個(gè)節(jié)點(diǎn)的壓力，從而可以計(jì)算出整個(gè)氣膜的承載力。圖3為直角連接和圓角(R=5 μm)連接節(jié)流孔附近壓力分布圖。從圖中可看出，空氣以供氣壓力進(jìn)入節(jié)流孔后氣體壓力基本未發(fā)生改變; 當(dāng)空氣從節(jié)流孔流入軸與軸承之間的縫隙時(shí)，首先出現(xiàn)壓力突降，然后沿著半徑方向有所上升，之后又逐漸降低至環(huán)境壓力。對比圖 3a和圖3b可知，采用圓角連接時(shí)，氣膜內(nèi)的壓力分布更均勻，平均壓力值也較大。

對于不同圓角半徑，軸承底面半徑方向上的壓力分布如圖 4 所示。由圖4可知，對于直角連接(R=0 μm)節(jié)流器，供氣孔處壓力從0.5 MPa陡降到了0.12 MPa，然后略有回升后平穩(wěn)降低。雖然均存在壓力突降現(xiàn)象，但圓角連接的壓力下降幅度明顯小于直角連接，隨著圓角半徑的增加，壓力下降越平緩，平均壓力也越大；由于氣膜起直接承載作用，所以其平均壓力越大，越有利于提高軸承承載力。

2.2.2節(jié)流孔出口圓角對承載力的影響

圖5為軸承在兩種工作氣膜間隙(h=10.20 μm)下,不同圓角半徑對應(yīng)的承載力。由圖可以看出，隨節(jié)流孔出口圓角半徑值增大,軸承承載能力增大,這是由于當(dāng)出口圓角半徑增大時(shí),節(jié)流孔口對氣體的阻力減小,減緩了出口壓力突降，增大了氣膜內(nèi)平均壓力，從而提高了承載力。當(dāng)R達(dá)到一定值(h=10 μm，R>30 μm;h=20 μm,R>80 μm),繼續(xù)增大圓角半徑,承載力幾乎不再上升,這是因?yàn)榭卓趫A角半徑值超過一定范圍時(shí),節(jié)流孔附近氣膜的壓力接近于小孔出口壓力,承載力接近極值，難以再繼續(xù)增大。

2.2.3節(jié)流孔出口圓角對速度場的影響

圖6為節(jié)流孔附近速度場云圖，可以看出，孔口采用圓角連接(R=50 μm)的流場最高流速(209 m/s)明顯低于直角連接(R=0 μm)的最高流速(378 m/s)；氣體從小孔流入氣膜，速度方向會發(fā)生急劇變化，節(jié)流孔出口處增加圓角，可以起過渡導(dǎo)流作用，減緩出口節(jié)流引起的速度突增。

圖7顯示了不同圓角半徑對應(yīng)的流場最高流速。由圖可知，節(jié)流孔出口倒圓角，能有效降低流場中最高流速，在一定范圍內(nèi)，圓角半徑越大，最高流速越低；隨著圓角半徑的增大，最高流速的減小趨勢放緩，當(dāng)R>80 μm時(shí)，最高流速幾乎不再降低，這是由于，如果圓角半徑過大，因慣性作用，從節(jié)流孔流出的氣體將產(chǎn)生分離趨勢，不再緊貼圓角壁面運(yùn)動(dòng)，過大的出口圓角其導(dǎo)流作用不再突出；同時(shí)，由于氣流有脫離壁面流動(dòng)的趨勢，在圓角近壁面處的空氣流速很低甚至形成滯留，當(dāng)圓角半徑過大(R>80 μm)時(shí)，在壁面處還會產(chǎn)生漩渦，其速度矢量如圖8所示。根據(jù)文獻(xiàn)[7],氣旋會引起軸承振動(dòng)，嚴(yán)重影響其穩(wěn)定性，降低軸承的使用性能。

3　結(jié)語

本文利用ANSYS Workbench軟件的FLUENT流體分析模塊，計(jì)算得到小孔氣體靜壓軸承氣膜間隙內(nèi)的壓力與速度分布，通過分析節(jié)流孔出口圓角對軸承性能的影響，得出如下結(jié)論：

(1)節(jié)流孔出口采用圓角連接，能減緩出口附近壓力陡降，勻化氣膜面壓力分布，且圓角半徑越大，效果越明顯。

(2)節(jié)流孔出口圓角連接，承載力隨圓角半徑增大而增大，且增加速率遞減，當(dāng)圓角半徑達(dá)到一定值，繼續(xù)增大半徑，承載力幾乎不再增長。

(3)節(jié)流孔出口圓角連接，能有效降低流場中最高流速，在一定范圍內(nèi)，圓角半徑越大，最高流速越低；當(dāng)圓角半徑超過一定閾值，節(jié)流孔出口處會出現(xiàn)氣旋，破壞軸承穩(wěn)定性。

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(編輯譚弘穎)

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The effect of rounding orifice restrictor on performance of aerostatic thrust bearings

LI Xiang①，WANG Jie①，YANG Hong②，CUI Hailong②，F(xiàn)ANG Hui①

(①School of Manufacture Science and Engineering，Sichuan University，Chengdu 610065,CHN;②Institute of Mechanical Manufacturing Technology, China Academy of Engineering Physics, Mianyang 621900,CHN)

Aerostatic thrust bearing with orifice restrictor was studied, the pressure and velocity distribution of gas film was obtained. This paper presented the performance of aerostatic bearing when the radius of orifice outlet vary. Simulation results showed that, when the gas film thickness kept the same, the load capacity increased and the maximum velocity decreased with the radius of orifice outlet increasing; vortex appeared in the flow field while the radius over limit value, which would reduce the stability of aerostatic bearing.

aerostatic bearing; orifice restrictor; gas film; load capacity; vortex

TH133.35

A

10.19287/j.cnki.1005-2402.2016.06.010

李祥，男，1991年生,碩士研究生，研究方向?yàn)槌芗庸ぱb備中的靜壓支承技術(shù)。

2015-12-28)

160626

* 國家自然科學(xué)基金(51175356) ; 中國工程物理研究院重大科技專項(xiàng)資助(9120602)