不同長徑比下狹縫節(jié)流氣體靜壓軸承的特性研究

王仁宗， 朱繼華， 李智浩

(中原工學(xué)院 機(jī)電學(xué)院， 河南 鄭州 450007 )

氣體靜壓軸承利用氣體作為潤滑劑，具有一定壓力的壓縮空氣經(jīng)節(jié)流器進(jìn)入軸承工作間隙并形成壓力膜，使轉(zhuǎn)子與軸承工作面分離，進(jìn)而支撐負(fù)載。在工作狀態(tài)下，由于間隙中始終充滿著氣體，所以軸承工作面之間沒有接觸摩擦，從而減少了軸承的磨損，降低了軸承的發(fā)熱量。因此，氣體靜壓軸承在高速、高精度以及特殊工況等工作環(huán)境中具有很好的應(yīng)用前景。氣體靜壓軸承常用的節(jié)流方式有小孔節(jié)流、環(huán)面節(jié)流、狹縫節(jié)流、多孔質(zhì)節(jié)流和表面節(jié)流等[1]。與其他節(jié)流方式相比，狹縫節(jié)流器的供氣點是連續(xù)分布的，從而減小了擴(kuò)散效應(yīng)和環(huán)向流動對軸承特性的不利影響[2]。

國內(nèi)外學(xué)者對狹縫節(jié)流靜壓軸承進(jìn)行了一系列的研究。杜建軍等研究了狹縫節(jié)流氣體靜壓軸頸-止推軸承靜態(tài)特性，并通過實測值對結(jié)果進(jìn)行了驗算[3]。劉暾研究了狹縫節(jié)流氣體靜壓潤滑方程式的離散化和相容性條件，使復(fù)雜的狹縫節(jié)流氣體靜壓軸承有了統(tǒng)一的計算方法[4]。龍威等分析了不同節(jié)流器類型對空氣靜壓氣體導(dǎo)軌靜態(tài)特性的影響，并得出狹縫節(jié)流是最合適的節(jié)流器類型[5]。李歡歡等對單狹縫節(jié)流徑向靜壓氣體軸承的靜態(tài)特性進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計[6-7]。ISE等建立了一個有關(guān)軸承間隙和軸承靜態(tài)特性的數(shù)值分析模型，分析了狹縫參數(shù)和軸承參數(shù)對軸承性能的影響[8]。SATISH等對在不同狀態(tài)下狹縫節(jié)流液體動靜混合軸承的狹縫圓周個數(shù)對稱和非對稱分布兩種結(jié)構(gòu)進(jìn)行了對比，發(fā)現(xiàn)狹縫節(jié)流非對稱分布動靜壓混合軸承具有更高的失穩(wěn)速度；同時通過對該類型軸承的熱力學(xué)特性的分析，發(fā)現(xiàn)因溫度升高而引起的黏度變化對系統(tǒng)特性的影響較小[9-10]。

綜上所述發(fā)現(xiàn)，在國內(nèi)外學(xué)者對狹縫節(jié)流氣體靜壓軸承的研究與應(yīng)用中，對在不同狹縫節(jié)流氣體靜壓軸承和不同長徑比下的軸承特性的研究相對較少，本文對此展開了研究，并對比分析了狹縫類型、軸承直徑、狹縫數(shù)量對狹縫節(jié)流氣體靜壓軸承靜態(tài)特性的影響規(guī)律。

1 模型建立

1.1 物理模型

采用FLUENT軟件中的Gambit軟件建立模型，根據(jù)CFD仿真建模的規(guī)則，即只考慮流道對流場的影響，因此氣體靜壓軸承流場模型應(yīng)包括狹縫進(jìn)氣道和氣膜間隙兩個部分[11]。

按照以下步驟進(jìn)行非連續(xù)單狹縫節(jié)流氣體靜壓軸承建模：

(1) 建立狹縫，狹縫為軸向厚度0.01 mm，直徑為D1的圓柱；

(2) 建立進(jìn)氣狹縫，將圓柱分割成6個圓心角為15°和6個圓心角為45°的扇形作為分割面，刪除圓心角為15°的扇形，保留圓心角為45°的扇形，即為進(jìn)氣狹縫；

(3) 建立直徑為D2的圓柱，與之前的狹縫進(jìn)行并集計算，得到組合體；

(4) 建立直徑為D3(D2>D3)的圓柱，并將D3在x軸方向偏移0.004 mm，形成軸承偏心量；

(5) 將上述組合體和圓柱D3進(jìn)行差集計算便得到軸承流體模型，建模過程如圖1所示。

為便于網(wǎng)格劃分，需要將模型6等分，非連續(xù)狹縫節(jié)流氣體靜壓軸承模型如圖2所示。對于非連續(xù)雙狹縫軸承模型(圖2(b))，建模時需要在軸承的軸向按照1∶2∶1的比例建立兩個狹縫，兩個狹縫分別位于整個軸向長度的1/4和3/4處。

圖1 建模過程

(a) 單狹縫軸承模型

(b) 雙狹縫軸承模型圖2 非連續(xù)狹縫節(jié)流氣體靜壓軸承模型

連續(xù)狹縫節(jié)流氣體靜壓軸承建模方法與非連續(xù)氣體靜壓軸承的建模方法基本類似，但不再對狹縫進(jìn)行分割，連續(xù)狹縫節(jié)流氣體靜壓軸承模型如圖3所示。

(a) 單狹縫軸承模型

(b) 雙狹縫軸承模型圖3 連續(xù)狹縫節(jié)流氣體靜壓軸承模型

1.2 網(wǎng)格劃分

由于狹縫寬度、氣膜厚度與軸承工作面的尺寸相差較大，為保證計算精度以及避免出現(xiàn)扭曲網(wǎng)格和負(fù)網(wǎng)格現(xiàn)象，采用分區(qū)劃分法對非連續(xù)狹縫節(jié)流氣體靜壓軸承進(jìn)行網(wǎng)格劃分，在進(jìn)氣面采用六面體網(wǎng)格，在承載面上采用五面體網(wǎng)格。而在進(jìn)行連續(xù)狹縫節(jié)流氣體靜壓軸承網(wǎng)格劃分時，由于整個模型為一個連續(xù)的整體，為保證網(wǎng)格劃分的連續(xù)性，進(jìn)氣面與承載面的網(wǎng)格均采用六面體網(wǎng)格。網(wǎng)格類型見圖4。

(a) 六面體網(wǎng)格

(b) 五面體網(wǎng)格圖4 狹縫節(jié)流氣體靜壓軸承的網(wǎng)格劃分類型

1.3 邊界條件

在FLUENT仿真計算中，為了簡化計算模型，常做以下假設(shè)和邊界條件設(shè)置：

(1) 壁面是絕對光滑的，忽略壁面粗糙度的影響。

(2) 流場處于層流狀態(tài)，忽略滑移和湍流的影響。

(3) 氣體為理想氣體，且為牛頓流體，氣體的慣性力可忽略不計。

(4) 由于氣體在氣膜間隙的流動過程很短，熱量來不及交換，因此假設(shè)流動過程絕熱[12]。

(5) 環(huán)境壓力為0.1 MPa，環(huán)境溫度為300 K；

(6) 供氣壓力恒定，為0.6 MPa；供氣溫度為300 K；出口壓力等于環(huán)境壓力，出口溫度為環(huán)境溫度。

2 結(jié)果分析

2.1 連續(xù)狹縫下長徑比對軸承靜態(tài)特性影響

在連續(xù)狹縫下，分別取長徑比為0.8、1.0、1.2、1.4、1.6來對氣體靜壓軸承進(jìn)行仿真；同時依據(jù)文獻(xiàn)資料、軸承加工成本等，選擇狹縫寬度為0.01 mm、狹縫深度為5 mm、氣膜間隙為0.01 mm、偏心量為0.004 mm；直徑分別取為50 mm、60 mm、70 mm。

2.1.1 連續(xù)雙狹縫下長徑比對軸承靜態(tài)特性的影響

經(jīng)測試，連續(xù)雙狹縫下長徑比對軸承特性的影響如圖5所示。

(a) 長徑比對承載力的影響

(b) 長徑比對剛度的影響

(c) 長徑比對耗氣量的影響圖5 連續(xù)雙狹縫下長徑比對軸承特性的影響

由圖5可知：在不同長徑比下，連續(xù)雙狹縫節(jié)流氣體靜壓軸承隨著長徑比的增大，承載力不斷增大，且呈線性趨勢；軸承剛度隨著長徑比的增大，先增大再減小而后趨于平穩(wěn)，在長徑比約為1處取得最大值；耗氣量隨著長徑比的增大而減小。在相同長徑比下，隨著直徑的增大，承載力逐漸增大；剛度先增大后減小；耗氣量逐漸減小。

2.1.2 連續(xù)單狹縫下長徑比對軸承靜態(tài)特性的影響

經(jīng)測試，連續(xù)單狹縫下長徑比對軸承特性的影響如圖6所示。

由圖6可知：在不同長徑比下，連續(xù)單狹縫節(jié)流氣體靜壓軸承隨著長徑比的增大，承載力不斷增大，且呈線性趨勢；軸承剛度隨著長徑比的增大而增大；耗氣量隨著長徑比的增大而減小，且呈線性趨勢，并且軸承直徑為60 mm和70 mm的耗氣量明顯大于直徑為50 mm的耗氣量。在相同長徑比下，隨著直徑的增大，承載力逐漸增大；軸承剛度先增大后減?。缓臍饬吭陂L徑比小于1.15時逐漸增大，大于1.15時先增大后減小。

(a) 長徑比對承載力的影響

(b) 長徑比對剛度的影響

(c) 長徑比對耗氣量的影響圖6 連續(xù)單狹縫下長徑比對軸承特性的影響

2.2 非連續(xù)狹縫下長徑比對軸承靜態(tài)特性影響

在非連續(xù)狹縫下，同樣取長徑比為0.8、1.0、1.2、1.4、1.6進(jìn)行建模仿真；同時依據(jù)文獻(xiàn)資料、軸承加工成本等，選擇狹縫寬度為0.01 mm、狹縫深度為5 mm、氣膜間隙為0.01 mm、偏心量為0.004 mm；直徑分別取為50 mm、60 mm、70 mm。

2.2.1 非連續(xù)雙狹縫下長徑比對軸承靜態(tài)特性的影響

經(jīng)測試，非連續(xù)雙狹縫下長徑比對軸承特性的影響如圖7所示。

(a) 長徑比對承載力的影響

(b) 長徑比對剛度的影響

(c) 長徑比對耗氣量的影響圖7 非連續(xù)雙狹縫下長徑比對軸承特性的影響

由圖7可知：在不同長徑比下，非連續(xù)雙狹縫節(jié)流氣體靜壓軸承隨著長徑比的增大，承載力先增大后減小，并且在長徑比約為1時取得最大值；軸承的剛度隨著長徑比的增大，先增大再減小，在長徑比為1.2～1.4時取得最大值；軸承直徑為70 mm時，耗氣量隨著長徑比的增大，先增大后減小，并且在長徑比約為1時耗氣量取得最大值，軸承直徑為50 mm和60 mm時，耗氣量隨著長徑比的增大而減小。在相同長徑比下，隨著直徑的增大，承載力、剛度和耗氣量都逐漸增大。

2.2.2 非連續(xù)單狹縫下長徑比對軸承靜態(tài)特性的影響

經(jīng)測試，非連續(xù)單狹縫下長徑比對軸承特性的影響如圖8所示。

(a) 長徑比對承載力的影響

(b) 長徑比對剛度的影響

(c) 長徑比對耗氣量的影響圖8 非連續(xù)單狹縫下長徑比對軸承特性的影響

由圖8可知：在不同長徑比下，非連續(xù)單狹縫節(jié)流氣體靜壓軸承隨著長徑比的增大，承載力先增大后減小，并且在長徑比約為1.2時，取得最大值；軸承剛度隨著長徑比的增大，先減小再增大而后再減小，軸承直徑為60 mm時，剛度在長徑比為0.9～1.0時取得最小值，在長徑比約為1.2時取得最大值；當(dāng)軸承直徑為50 mm和70 mm時，軸承在長徑比約為1時取得最小值，在長徑比約為1.4時取得最大值。當(dāng)軸承直徑為60 mm和70 mm時，耗氣量隨著長徑比的增大，先增大后減小，并且在長徑比約為1時耗氣量取得最大值；當(dāng)軸承直徑為50 mm時，耗氣量隨著長徑比的增大而減小。在相同長徑比下，隨著直徑的增大，承載力和耗氣量逐漸增大，軸承剛度先增大后減小。

3 結(jié)論

通過對狹縫節(jié)流氣體靜壓軸承的靜態(tài)特性進(jìn)行建模計算，得出以下結(jié)論：

(1) 在連續(xù)狹縫情況下，兩種狹縫節(jié)流氣體靜壓軸承的承載力均隨長徑比的增大而增大，耗氣量隨著長徑比的增大而減?。浑p狹縫氣體靜壓軸承的剛度隨著長徑比的增大先增大后減小，并在長徑比約為1處取得最大值；單狹縫氣體靜壓軸承的剛度隨著長徑比的增大而不斷增大。

(2) 在非連續(xù)狹縫情況下，兩種狹縫節(jié)流氣體靜壓軸承在長徑比為1.2～1.4時有較好的剛度；雙狹縫氣體靜壓軸承在長徑比約為1時有較高的承載力，單狹縫氣體靜壓軸承在長徑比約為1.2時有較高的承載力；當(dāng)軸承直徑為70 mm時，兩種狹縫節(jié)流氣體靜壓軸承耗氣量隨著長徑比的增大，先增大后減小，并且在長徑比約為1時最大；當(dāng)軸承直徑為50 mm時，兩種狹縫節(jié)流氣體靜壓軸承耗氣量隨著長徑比的增大而減?。划?dāng)軸承直徑為60 mm時，單狹縫節(jié)流氣體靜壓軸承耗氣量隨著長徑比的增大，先增大后減小，并且在長徑比約為1時最大，雙狹縫節(jié)流氣體靜壓軸承耗氣量隨著長徑比的增大而減小。

(3) 在同一長徑比下，4種狹縫節(jié)流氣體靜壓軸承的承載力隨著直徑的增大而增大；連續(xù)狹縫和非連續(xù)單狹縫節(jié)流氣體靜壓軸承的剛度隨著直徑的增大先增大后減??；非連續(xù)雙狹縫節(jié)流氣體靜壓軸承的剛度隨著直徑的增大而增大；連續(xù)雙狹縫節(jié)流氣體靜壓軸承的耗氣量隨著直徑的增大而減小；連續(xù)單狹縫節(jié)流氣體靜壓軸承的耗氣量隨著直徑的增大，在長徑比小于1.15時逐漸增大，大于1.15時先增大后減??；非連續(xù)狹縫節(jié)流氣體靜壓軸承的耗氣量隨著直徑的增大而增大。