空氣靜壓軸承動態(tài)性能仿真研究

(上海理工大學(xué) 能源與動力工程學(xué)院, 上海 200093)

空氣靜壓軸承動態(tài)性能仿真研究

王 昊

(上海理工大學(xué) 能源與動力工程學(xué)院, 上海200093)

空氣靜壓軸承具有較小摩擦、運轉(zhuǎn)平穩(wěn)、使用壽命長、回轉(zhuǎn)精度高且無環(huán)境污染等優(yōu)點.以孔式節(jié)流空氣靜壓軸承作為研究對象,利用建模軟件,建立孔式節(jié)流空氣靜壓軸承三維實體計算模型.通過計算流體動力學(xué)(CFD)原理,對該模型網(wǎng)格劃分后模擬仿真軸承在一定偏心率下的旋轉(zhuǎn)狀態(tài),計算并得出氣膜壓力分布圖,分析其在不同供氣壓強和不同旋轉(zhuǎn)速度對軸承承載力的影響,并得出影響軸承承載力因素的變化曲線.研究結(jié)果對孔式節(jié)流空氣靜壓軸承結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化具有可靠性的指導(dǎo)意義.

空氣靜壓軸承; 孔式節(jié)流; 供氣壓強; 旋轉(zhuǎn)速度; 承載力

空氣靜壓軸承利用空氣作為潤滑劑,從外界提供壓縮空氣,經(jīng)過壓縮的氣體經(jīng)節(jié)流孔進入軸承間隙,在主軸與軸承表面形成可壓縮的氣膜層,并起負(fù)載作用.由于空氣黏度很低,摩擦力幾乎不存在,因此空氣軸承幾乎消除了由摩擦力產(chǎn)生的阻力和磨損,所以更適用于高速和高精度設(shè)備.較之其他軸承具有較小摩擦、運轉(zhuǎn)平穩(wěn)、使用壽命長、回轉(zhuǎn)精度高且無環(huán)境污染等優(yōu)點[1-2],在航空、航天以及精密測量和超精密加工設(shè)備中得到廣泛應(yīng)用[3].提供足夠的承載力和穩(wěn)定性的最關(guān)鍵的問題在于這些軸承的設(shè)計[4-7],因此氣體軸承已成為精密軸承的一個重要發(fā)展方向.

近年來國內(nèi)外對其進行了很多研究,段明德等[8]通過建立空氣靜壓軸承三維模型,仿真分析旋轉(zhuǎn)工作狀態(tài)的軸承,得出進氣壓力、軸承轉(zhuǎn)速與氣模厚度對空氣軸承承載能力及需氣量帶來的影響;Zhu[9]等對超精密空氣靜壓軸承的瞬態(tài)流動特性進行了研究.為了捕捉湍流結(jié)構(gòu)和波動,利用LES方法數(shù)值計算軸承間隙的瞬態(tài)流場,對軸承間隙渦結(jié)構(gòu)和壓力波動進行了分析.Renn等[10]研究空氣靜壓軸承孔型節(jié)流器對質(zhì)量流量特性的影響,并進行了一系列的模擬和試驗.結(jié)果表明,通過孔口的質(zhì)量流量特性與通過噴嘴的質(zhì)量流量特性不同.

空氣靜壓軸承處于低轉(zhuǎn)速工作時,表現(xiàn)為靜壓效應(yīng);但當(dāng)軸承高速旋轉(zhuǎn)工作時,由于摩擦有相對運動,故亦會產(chǎn)生動壓效應(yīng).當(dāng)動壓效應(yīng)達到一定程度時,軸承成為動靜壓混合軸承,由原本靜壓空氣轉(zhuǎn)變?yōu)閯訅红o壓混合空氣軸承,變?yōu)閯屿o壓混合潤滑工作.考慮到動靜壓混合狀態(tài)空氣流動情況,本研究使用計算流體動力學(xué)(CFD)的方法[10-12],在數(shù)值模擬計算基礎(chǔ)上分析動靜壓效應(yīng).通過數(shù)值模擬的方法求得比較精確的近似解,在實際工作時,空氣在氣體軸承間隙流動是較為復(fù)雜的三維流場,因此使用三維模型更容易得到精確的結(jié)果.其他研究一般地都沒有考慮到節(jié)流孔進口處的壓力分析.本文通過模擬得出了節(jié)流孔進口處壓力分布圖,并對其進行了分析,為空氣軸承的性能設(shè)計優(yōu)化提供有效指導(dǎo).

1 孔式靜壓徑向軸承的結(jié)構(gòu)參數(shù)和理論分析

節(jié)流管在空氣靜壓軸承中是一個重要組成部分,有一定的阻抗,具有壓力調(diào)節(jié)的作用.氣體靜壓節(jié)流方式主要有小孔節(jié)流、多孔質(zhì)節(jié)流、表面節(jié)流、毛細(xì)管節(jié)流和狹縫節(jié)流等[13],其中小孔節(jié)流方式又分為簡單孔式節(jié)流器和環(huán)形孔式節(jié)流器.本文采用環(huán)形雙排孔節(jié)流孔布置.

在軸承靜止無工作狀態(tài)時,因軸承自重和載荷(總稱為F)存在,轉(zhuǎn)軸與軸承內(nèi)表面緊密接觸,無氣膜存在.當(dāng)工作時,這時壓縮空氣經(jīng)節(jié)流孔逐漸進入軸承間隙,直到內(nèi)部壓力大于F時,轉(zhuǎn)軸被氣體浮起,氣膜形成,形成氣浮墊[14].當(dāng)工作穩(wěn)定時,轉(zhuǎn)軸在氣膜壓力的支承下達到平衡.但因負(fù)載存在,使得其產(chǎn)生了一定的偏心量e,導(dǎo)致上下氣膜表面壓力不一樣.負(fù)載變大時,下氣膜厚度減小,氣膜壓力變大;而上氣膜厚度增大時,氣膜壓力變小,此時上下氣膜表面會形成壓力差W,W就是氣膜承載力,用來平衡外部負(fù)載,使之內(nèi)外壓力平衡.

提高靜壓氣體軸承的剛度和承載能力是優(yōu)化氣體軸承性能的重要方法,多數(shù)由壓縮的供氣壓力、軸承結(jié)構(gòu)參數(shù)及氣體的不同等因素確定.氣體靜壓軸承結(jié)構(gòu)主要參數(shù)見表1.

表1 空氣靜壓軸承結(jié)構(gòu)的主要參數(shù)Tab.1 Main parameters of aerostatic bearing structure

文獻[8]對偏心率為0.1時的空氣靜壓軸承做了一些相關(guān)研究.在文獻[15]中偏心率為0.1～0.6,研究并得出偏心率對承載力的影響結(jié)果:在一定范圍內(nèi),承載力和偏心率構(gòu)成線性關(guān)系,并且在偏心率為0.5時,研究分析并得出了詳細(xì)的結(jié)論.本文取偏心率為0.3進行一系列的研究分析.

(1) 單個徑向軸承的承載力W.根據(jù)公式:

W=CjLD(ps-pa)

(1)

式中:Cj=0.2,單排孔供氣;Cj=0.25,雙排孔供氣;L=80 mm;D=60 mm;pa為環(huán)境壓力,即標(biāo)準(zhǔn)大氣壓力;ps為供氣壓力,ps=5.0×105Pa;Cj為載荷系數(shù),它是軸承處于不同情況下,各參數(shù)確定后,可以承受的載荷與所能達的理論承載力之比.

本文采用的是徑向雙排孔供氣軸承,所以Cj=0.25.由式(1)代入數(shù)據(jù)得W=478 N.

由于空氣可被壓縮,做出假設(shè),空氣在軸承中的狀態(tài)為等溫過程,空氣靜壓軸承處于高速工作時,表現(xiàn)為動靜壓混合過程,軸承內(nèi)氣膜的壓力P符合Reynolds方程[16]:

(2)

式中:μ為氣體動力黏度;p為氣膜壓力;R為軸承的半徑;ρ為氣體密度;h0為軸承的平均氣膜厚度;ε為軸承的偏心率;U為軸承兩相對表面的運動速度.

2 動壓效應(yīng)

圖1為空氣靜壓軸承動壓效應(yīng).當(dāng)軸承工作時,因承載力W存在,旋轉(zhuǎn)中心為O2,偏心量為e.當(dāng)軸承繞軸高速旋轉(zhuǎn)時,由于與空氣摩擦力存在,氣膜與軸接觸的附面層空氣將會隨轉(zhuǎn)軸一起旋轉(zhuǎn),在圖1中X軸下,氣模的流動狀態(tài)是由氣膜較薄的一側(cè)流進,從氣膜厚的一側(cè)流出,該范圍的氣膜受力較小;X軸上,氣膜層的流動狀態(tài)是由氣膜較厚一側(cè)流進,從氣膜薄的一側(cè)流出.形成了由小變大的擴大楔形間隙和由大變小的收斂楔形間隙,滿足動壓效應(yīng)形成的幾何條件.故而軸承工作會有動壓效應(yīng)存在.

圖1 空氣靜壓軸承動壓效應(yīng)示意圖Fig.1 Hydrodynamic effect of static pressure bearing

3 靜壓軸承的模擬仿真

3.1模型

本文采用雙排小孔節(jié)流空氣徑向軸承,節(jié)流管與軸承外殼為45°.本文主要研究氣體經(jīng)節(jié)流管進入軸承的空氣狀態(tài).因此氣體為主要對象,以氣體建立氣膜模型,采用SolidWorks建模軟件,如圖2所示.

圖2 氣膜模型Fig.2 Model of air film

3.2網(wǎng)格劃分

軸承工作時,高壓氣體通過45°傾角的供氣管進入到節(jié)流管時,橫截面發(fā)生了突變,因此高壓氣體在流經(jīng)節(jié)流突變口時,使得速度與壓力變化幅度較大.因此在此處進行了網(wǎng)格加密,相對其他區(qū)域較密集,如圖3所示.

圖3 氣膜網(wǎng)格Fig.3 Mesh of air film

3.3數(shù)值模擬

網(wǎng)格劃分完,導(dǎo)入到FLUENT計算,求解器設(shè)置為基于壓力的求解器(Pressure Based),采用可實現(xiàn)性Realizablek-ε模型.此模型與標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型、重整化群RNGk-ε模型相比,優(yōu)點是可以在雷諾應(yīng)力上保持與真實湍流的一致,可以更準(zhǔn)確地模擬平面和圓形射流的擴散速度;在旋轉(zhuǎn)計算、帶方向壓強梯度的邊界層計算和分離流計算等問題中,計算更符合實際情況;針對分離流計算和帶二次流的復(fù)雜流動計算也較為準(zhǔn)確.本研究進出口為壓力邊界條件,軸承內(nèi)表面設(shè)置為旋轉(zhuǎn)面,選用非平衡壁面函數(shù),采用SIMPLEC算法收斂計算.

3.4仿真結(jié)果

軸承工作時,壓縮氣體經(jīng)節(jié)流孔進入軸承間隙,一部分沿著軸向流向兩端和中間,在中間會形成相對穩(wěn)定的壓力區(qū);軸承氣膜內(nèi)膜面,由于氣體存在黏性,氣膜層會隨著壁面的旋轉(zhuǎn)而轉(zhuǎn)動,旋轉(zhuǎn)方向與軸承旋轉(zhuǎn)方向一致.

空氣靜壓軸承的供氣壓力、偏心率、軸承旋轉(zhuǎn)速度、軸承的結(jié)構(gòu)參數(shù)和氣體性質(zhì)等因素均會影響氣體在軸承內(nèi)的流動狀態(tài)特性,進而影響到軸承工作狀態(tài)特性.本文主要針對偏心率為0.3時,研究分析供氣壓力和軸承旋轉(zhuǎn)速度對軸承承載力的影響規(guī)律.

進口壓力0.5 MPa壓縮空氣,均以45°進氣,出口壓力均為大氣壓力.由圖4(a)～(d)可以看出,壓縮氣體經(jīng)45°節(jié)流管節(jié)流,壓力下降.由節(jié)流孔進入軸承時,在節(jié)流管進口右側(cè)形成了一個低壓區(qū),并隨著順時針方向壓力逐漸升高,而不同軸承轉(zhuǎn)速對壓力分布具有一定的一致性,即旋轉(zhuǎn)速度對壓力影響很小,見圖4.

圖4 供氣壓力和軸承旋轉(zhuǎn)速度對軸承承載力影響Fig.4 Influence of gas supply pressure and bearing rotation speed on the bearing capacity of the bearing is studied

軸承工作時,供氣孔、節(jié)流孔和軸承氣膜外圓柱表面與軸承固定接觸,軸承固定.軸承氣膜內(nèi)圓柱表面與軸頸接觸,軸頸以一定的速度旋轉(zhuǎn).

在偏心率為0.3,旋轉(zhuǎn)速度為5 000 r/min的條件下,分析不同進氣壓力下的軸承氣膜內(nèi)表面壓力分布.由圖5可知,一定轉(zhuǎn)速情況下,軸承氣膜壓強隨著進氣壓強的增加承載力增加,且壓力分布更加均勻.

通過氣膜壓力分布可對氣膜壓強積分計算得出氣膜壓力合力,即軸承承載力W.在不同工況下積分所得承載力不同,以此得出了不同進氣壓強和轉(zhuǎn)速與承載力的關(guān)系.

由圖6(a)可知,在偏心率為0.3,進氣壓強為0.5 MPa時,軸承的承載力在該氣膜厚度下,在轉(zhuǎn)速的逐漸提高下,承載力靜壓成平穩(wěn)狀態(tài),由靜壓與總壓圖可知軸承動壓效應(yīng)隨轉(zhuǎn)速的增大逐漸減小.

由圖6(b)可知,在偏心率為0.3,旋轉(zhuǎn)速度為5 000 r/min時,在不同供氣壓力下,軸承的承載力隨著供氣壓強的增加而增加,動壓效應(yīng)越明顯,見圖6.

圖5 不同進氣壓力條件軸承氣膜內(nèi)表面壓力分布Fig.5 Pressure distribution of the bearing gas film

4 結(jié) 論

本文利用有限元數(shù)值模擬,研究分析在一定偏心率下,對空氣靜壓軸承旋轉(zhuǎn)工作時進行模擬計算,得出結(jié)論:壓縮氣體經(jīng)節(jié)流孔進入軸承時,在節(jié)流孔右側(cè)形成了一個低壓區(qū),順時針方向壓力逐漸升高,軸承轉(zhuǎn)速對壓力分布影響很小.軸承的承載力在一定氣膜厚度和進氣壓強下,隨轉(zhuǎn)速逐漸提高,承載力逐漸下降,成下降趨勢.軸承承載力隨著進氣壓強的增大成非線性增大,動壓也隨著壓強增大而增大,動壓變得更明顯.一定旋轉(zhuǎn)速度下,隨著進氣壓強的增大,壓力分布越均勻,越適合軸承高效穩(wěn)定的工作.研究結(jié)果為孔式節(jié)流空氣靜壓軸承結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化和在相關(guān)工程中的應(yīng)用提供可靠性的指導(dǎo)及技術(shù)支撐.

圖6 不同因素對承載力的影響曲線Fig.6 Graph is different factors impact on the bearing capacity

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DynamicPerformanceSimulationofAirStaticPressureBearing

WANG Hao

(School of Energy and Power Engineering, University of Shanghai for Science and Technology, Shanghai 200093, China)

Air bearing has less friction than the other bearings.Moreover,it has a smooth operation,long service life,high precision rotary and no environmental pollution,etc.In this paper,a three-dimensional model is established to simulate the holes throttle air bearing.The model is meshed into the unstructured grid and the simulation results are obtained.Simulation results of bearing in rotating state is analyzed and studied under the influence of gas pressure and rotating speed.The air film pressure distribution of aerostatic bearing is obtained based on the results of the CFD.Finally,the paper summarizes the influence of the corresponding factors on the bearing capacity.

air static bearing; hole type throttle; inlet pressure; rotating speed; bearing capacity

2096-2983(2017)05-0280-06

10.13258/j.cnki.nmme.2017.05.006

2017-03-08

王 昊(1990—),男,碩士研究生. 研究方向: 靜壓軸承. E-mail: 740320796@qq.com

TH133

A