半球動(dòng)壓氣浮軸承有螺旋槽與無螺旋槽軸承特性仿真分析

高峰，許相璽，王莎莎，田秀

半球動(dòng)壓氣浮軸承有螺旋槽與無螺旋槽軸承特性仿真分析

高峰，許相璽，王莎莎，田秀

（北京航天控制儀器研究所，北京，100854）

本文采用CFD數(shù)值模擬方法和試驗(yàn)數(shù)據(jù)相結(jié)合的方式對(duì)半球型動(dòng)壓氣浮軸承徑向偏心3%和軸向偏心3%的流場(chǎng)進(jìn)行分析。對(duì)軸承同一偏心率下有、無螺旋槽的軸徑向剛度、軸徑向承載力、姿態(tài)角、功率等特性進(jìn)行了比較。結(jié)果表明，半球型動(dòng)壓氣浮軸承的數(shù)值仿真結(jié)果與試驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合較好。刻有螺旋槽的軸承，壓力沿螺旋槽逐漸上升，在螺旋槽頂達(dá)到峰值，跨過螺旋槽后壓力逐漸降低。由于圓周均布了多個(gè)螺旋槽，螺旋槽的導(dǎo)流作用使得高壓區(qū)均勻的分布在軸承圓周面上。沒有螺旋槽的軸承在徑向偏心時(shí)存在一個(gè)對(duì)稱分布的高壓區(qū)和低壓區(qū)，二者夾角近似180度，但在軸向偏心時(shí)卻無法形成動(dòng)壓效應(yīng)，軸承支撐力幾乎為0。相比無螺旋槽的軸承，有螺旋槽壓力分布更均勻，能提供軸、徑向支撐力，且姿態(tài)角和功率更小，更有助于電機(jī)穩(wěn)定的高速旋轉(zhuǎn)。

半球型；動(dòng)壓氣?。粩?shù)值模擬

0 引言

相比滾珠軸承，動(dòng)壓氣浮軸承以氣體作為軸承間隙的潤(rùn)滑介質(zhì)，具有精度高、等剛度、摩擦小、長(zhǎng)壽命等特點(diǎn)[1]。采用動(dòng)壓氣浮軸承的電機(jī)高速旋轉(zhuǎn)時(shí)，軸承間隙內(nèi)的氣膜形成高壓支撐轉(zhuǎn)子浮起[2]。動(dòng)壓氣浮軸承工作表面可以設(shè)計(jì)成帶有螺旋槽的結(jié)構(gòu)或無螺旋槽的結(jié)構(gòu)，林惠光等人[3]對(duì)不同偏心率、不同間隙下的無螺旋槽動(dòng)壓氣浮軸承間隙流動(dòng)進(jìn)行了數(shù)值分析,季旭等人[4]對(duì)有螺旋槽的平面止推軸承壓力場(chǎng)進(jìn)行了仿真分析。

本文以半球型動(dòng)壓氣浮軸承為研究對(duì)象，采用CFD數(shù)值模擬方法和試驗(yàn)數(shù)據(jù)相結(jié)合的方式研究刻有螺旋槽半球軸承的流場(chǎng)特性，對(duì)比分析有、無螺旋槽軸承的軸、徑向剛度，軸、徑向承載力，姿態(tài)角，功率等性能參數(shù)。

1 幾何建模及邊界條件設(shè)置1.1 幾何建模及網(wǎng)格劃分

本文分別模擬半球型動(dòng)壓氣浮軸承徑向偏心3%和軸向偏心3%的情況。為保證仿真精度，本文使用ICEM軟件對(duì)軸承氣膜流場(chǎng)進(jìn)行結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分。軸承幾何建模參數(shù)如下：軸承半徑10mm，軸承間隙6μm，螺旋槽數(shù)16個(gè)，螺旋槽深8μm。有螺旋槽的網(wǎng)格如圖1所示，網(wǎng)格總數(shù)19萬。無螺旋槽的網(wǎng)格如圖2所示，網(wǎng)格總數(shù)18萬。

1.2 計(jì)算邊界條件設(shè)置

圖1 帶有螺旋槽的半球軸承

圖2 無螺旋槽的半球軸承

表1 計(jì)算邊界條件設(shè)置

2 計(jì)算結(jié)果

2.1 帶有螺旋槽的半球軸承流場(chǎng)仿真結(jié)果

帶有螺旋槽的軸承在徑向偏心3%或軸向偏心3%下的壓力場(chǎng)分布具有相似特征。為便于分析，本文以徑向偏心3%為例，其軸承壓力場(chǎng)分布如圖3所示。隨著軸承以30000rpm高速旋轉(zhuǎn)，半球大端產(chǎn)生負(fù)壓，外界氣體被吸入軸承工作間隙內(nèi)，氣體從半球的大端進(jìn)入，從半球的小端流出。從壓力變化趨勢(shì)看，壓力沿著螺旋槽的螺旋方向逐漸上升，跨過螺旋槽后壓力逐漸降低。在螺旋槽頂端，即槽區(qū)和臺(tái)區(qū)的交接處形成最大壓力，且高壓區(qū)向軸承旋轉(zhuǎn)方向略有偏移。這是由于氣體沿著螺旋槽流動(dòng)時(shí)，當(dāng)遇到槽臺(tái)交界處，由于槽區(qū)間隙大于臺(tái)區(qū)間隙，氣體通道突然收縮，為保證槽臺(tái)交界前后的氣體質(zhì)量守恒，在螺旋槽區(qū)域必形成負(fù)壓梯度，即壓力逐漸上升，在臺(tái)區(qū)必形成正壓力梯度，即壓力逐漸降低，因此在螺旋槽頂?shù)牟叟_(tái)交界處壓力達(dá)到最高值，即形成了“動(dòng)壓效應(yīng)”。

上述壓力分布形成的支撐力變化如圖4所示，與壓力分布趨勢(shì)相似，支撐力在軸承入口基本為0 N，隨后沿著螺旋槽上升方向逐漸增大，在槽臺(tái)交界附近形成最大值，跨過槽臺(tái)交界區(qū)后，支撐力逐漸減低，到軸承出口基本為0 N， 因此帶有螺旋槽的半球軸承支撐力集中在螺旋槽頂?shù)牟叟_(tái)交界處。

圖3 半球軸承徑向偏心3%壓力云圖

圖4 半球軸承徑向偏心3%支撐力分布圖

2.2 帶有螺旋槽的軸承仿真結(jié)果與試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比

徑向偏心3%的仿真結(jié)果與試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比如表2所示，軸向偏心3%的仿真結(jié)果與試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比如表3所示。對(duì)比看出，仿真數(shù)據(jù)與試驗(yàn)數(shù)據(jù)偏差較小，一般不超過10%，可以證明仿真結(jié)果比較準(zhǔn)確。

表2 有螺旋槽軸承徑向偏心3%的仿真結(jié)果與試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比

表3 有螺旋槽軸承軸向偏心3%的仿真結(jié)果與試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比

2.3 有螺旋槽與無螺旋槽的半球軸承仿真對(duì)比

2.3.1 徑向偏心3%的情況

當(dāng)有螺旋槽與無螺旋槽的軸承徑向偏心均為3%時(shí)，二者的壓力對(duì)比如圖5所示。從圖上可以看出，由于螺旋槽圓周均布的結(jié)構(gòu)特性以及氣體流動(dòng)的動(dòng)壓效應(yīng)，帶有螺旋槽的高壓區(qū)在軸承圓周方向呈現(xiàn)周期性變化，而無螺旋槽的高壓區(qū)和低壓區(qū)卻比較集中，面積較大，高壓區(qū)與低壓區(qū)呈180°對(duì)稱分布。從壓強(qiáng)大小上看（相對(duì)大氣壓），有螺旋槽產(chǎn)生的最高壓強(qiáng)為1.067×105Pa，無螺旋槽產(chǎn)生的最高壓強(qiáng)為3.254×103Pa，有螺旋槽的最高壓強(qiáng)達(dá)到無螺旋槽的33倍。但二者的最低壓強(qiáng)差別不大，有螺旋槽為-3.125×103Pa，無螺旋槽為-2.9×103Pa。

有螺旋槽與無螺旋槽的軸承支撐力對(duì)比如圖6所示，圖中彩色箭頭表示軸承表面各點(diǎn)受力的大小和方向，軸承對(duì)外表現(xiàn)出的總支撐力即為各點(diǎn)矢量求和。圖6顯示出二者在支撐力上的明顯差異，受壓力分布影響，有螺旋槽的支撐力沿螺旋槽逐漸增大，且圓周方向分布較均勻，支撐力方向指向球碗外側(cè)。無螺旋槽的支撐力在高壓區(qū)或低壓區(qū)附近集中，高壓區(qū)的支撐力指向球碗外側(cè)，低壓區(qū)的支撐力指向球碗內(nèi)側(cè)。

有螺旋槽與無螺旋槽的軸承特性參數(shù)對(duì)比如表4所示。在徑向偏心3%的條件下，徑向支撐力和徑向剛度差異不大，這是由于，雖然有螺旋槽產(chǎn)生的壓強(qiáng)大，但由于球碗各點(diǎn)支撐力基本都指向球碗外側(cè)，因此在求解徑向支撐力時(shí)，各點(diǎn)矢量求和相互抵消。無螺旋槽產(chǎn)生的壓強(qiáng)雖然小，但高壓區(qū)產(chǎn)生的支撐力指向球碗外側(cè)，低壓區(qū)產(chǎn)生的支撐力指向球碗內(nèi)側(cè)，在矢量求和時(shí)支撐力方向相同相互疊加，因此宏觀上表現(xiàn)出有、無螺旋槽的支撐力差別不大。但在支撐力分布規(guī)律上，有螺旋槽比無螺旋槽更加均勻，能夠保證電機(jī)高速穩(wěn)定旋轉(zhuǎn)。此外由于螺旋槽的存在，相當(dāng)于增大了軸承的平均間隙，因此有螺旋槽的功率小于無螺旋槽的功率。而且無螺旋槽的姿態(tài)角明顯大于有螺旋槽的姿態(tài)角。

圖5 有螺旋槽與無螺旋半球軸承壓力分布圖

圖6 有螺旋槽與無螺旋半球軸承支撐力分布圖

2.3.1 軸向偏心3%的情況

當(dāng)有螺旋槽與無螺旋槽軸承均存在3%的軸向偏心時(shí)，二者軸承參數(shù)如表5所示。有螺旋槽的軸向支撐力為0.65 N，軸向剛度為18.1N/μm，功率1.60W。但無螺旋槽的軸向支撐力和剛度均為0，功率1.89W高出有螺旋槽近20%。這是由于雖然無螺旋槽軸承存在3%的軸向偏心，但由于缺少螺旋槽的臺(tái)階作用，軸承間隙內(nèi)的氣體只能隨著軸承旋轉(zhuǎn)做圓周運(yùn)動(dòng)，無軸向運(yùn)動(dòng)，無法形成螺旋槽特有的動(dòng)壓效應(yīng)。而且即便氣體有圓周運(yùn)動(dòng)，但由于在垂直旋轉(zhuǎn)軸截面上的軸承間隙沿圓周方向處處相等，也無法形成動(dòng)壓效應(yīng)所必須的“楔形結(jié)構(gòu)”，因此無螺旋槽軸承在僅有軸向偏心時(shí)無法提供支撐力，無法承受軸向載荷。

表5 軸向偏心3%條件下軸承特性參數(shù)對(duì)比

綜上所述，為保證電機(jī)在不同工況下都能高速穩(wěn)定旋轉(zhuǎn)，半球動(dòng)壓氣浮軸承應(yīng)選用刻有螺旋槽的方案。

3 結(jié)論

本文通過數(shù)值模擬對(duì)半球型動(dòng)壓氣浮軸承徑向偏心3%和軸向偏心3%的流場(chǎng)進(jìn)行了仿真，對(duì)有、無螺旋槽的軸承特性進(jìn)行了比較。

（1）有螺旋槽軸承的仿真結(jié)果與試驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合較好，相對(duì)誤差不超過10%，仿真數(shù)據(jù)具有一定的參考意義。

（2）刻有螺旋槽的軸承在高速旋轉(zhuǎn)時(shí)，無論軸向偏心還是徑向偏心，氣膜壓力場(chǎng)分布相似。壓力沿螺旋槽逐漸上升，在螺旋槽頂達(dá)到峰值，且槽頂?shù)母邏簠^(qū)偏向軸承旋轉(zhuǎn)方向一側(cè)?？邕^螺旋槽后壓力逐漸降低。由于圓周均布了多個(gè)螺旋槽，螺旋槽的導(dǎo)流計(jì)。對(duì)于板子的設(shè)計(jì)而言，增加一個(gè)Dummy芯板能夠很好的抵抗翹曲的形成。L1層銅厚的增加和Solid Bar 設(shè)計(jì)有利于PCB板子兩面的殘銅平衡和銅皮漲縮過程的應(yīng)力平衡，從而改善PCB翹曲。該實(shí)驗(yàn)后，我們用優(yōu)化后的方案試生產(chǎn)了一批產(chǎn)品并測(cè)量翹曲值，結(jié)果滿足預(yù)期。

[1]IPC TM 650 2.4.22C

Simulation and analysis of the characteristics of the hemispherical hydrodynamic journal bearing with spiral groove and without helical groove

Gao Feng, Xu Xiangxi, Wang Shasha, Tian Xiu
(Beijing Institute of aerospace control instrumentation, Beijing ,100854)

In this paper, CFD numerical simulation method and experimental data are combined to analyze the radial eccentric 3% and axial eccentric 3% flow field of the hemispherical Journal bearing. The radial stiffness, axial radial bearing capacity, attitude angle and power of the shafts with and without spiral grooves under the same eccentricity ratio of the bearings are compared. The results show that the numerical simulation results of the hemispherical pneumatic journal bearing are in good agreement with the experimental data. With the spiral groove bearing, the pressure gradually rises along the spiral groove, reaches the peak at the top of the spiral groove, and decreases gradually after the spiral groove. Because the circle is distributed with a plurality of spiral grooves, the diversion action of the spiral groove makes the high voltage region uniformly distribute on the circumferential surface of the bearing. When there is no radial groove, there is a symmetrical distribution of the high pressure zone and the low pressure zone. The angle between the two is approximately 180 degrees, but it can not form the dynamic pressure effect when the axial eccentric, and the supporting force of the bearing is almost 0. Compared with the spiral groove bearings, the spiral groove has more uniform pressure distribution, providing axial and radial support, and smaller angle and power, which is more helpful for the stable high-speed rotation of the motor.

hemisphere; dynamic pressure air flotation; numerical simulation

國(guó)家重大科學(xué)儀器設(shè)備開發(fā)專項(xiàng)資金資助（項(xiàng)目編號(hào)：2013YQ470765）。