基于氣固耦合的靜壓氣體軸承靜態(tài)性能仿真研究

田洋 劉波 趙曉龍 董皓 姚慧

摘要： 為了探究靜壓氣體軸承的靜態(tài)性能，運(yùn)用CFD軟件進(jìn)行氣固耦合仿真，對(duì)可變節(jié)流靜壓氣體止推軸承的靜態(tài)性能相關(guān)影響因素進(jìn)行研究，得到不同狀況下的軸承靜態(tài)性能變化規(guī)律。結(jié)果表明：可變節(jié)流靜壓氣體軸承速度流場變化過渡更為平穩(wěn)，可有效促進(jìn)工作時(shí)穩(wěn)定性;提高供氣孔壓力可以提高軸承的承載力和剛度，同時(shí)耗氣量會(huì)明顯增加;增大節(jié)流孔的直徑可以有效提升軸承承載力，但峰值剛度反而下降，耗氣量亦會(huì)增加。

Abstract： In order to explore the static performance of hydrostatic gas bearing， the gas-solid coupling simulation is carried out by using CFD software， the influencing factors of the static performance of variable throttle hydrostatic gas thrust bearing are studied， and the variation laws of the static performance of the bearing under different conditions are obtained. The results show that the transition of velocity and flow field of variable throttle hydrostatic gas bearing is more stable， which can effectively promote the stability during operation; When the pressure of the air supply hole is increased， the bearing capacity and stiffness of the bearing can be improved， and the air consumption will increase significantly; Increasing the diameter of the orifice can effectively improve the bearing capacity， but the peak stiffness decreases and the air consumption increases.

關(guān)鍵詞： 可變節(jié)流;靜壓氣體軸承;氣固耦合;靜態(tài)性能

Key words： variable throttle;aerostatic bearing;gas-solid coupling;static performance

中圖分類號(hào)：TH133.36 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)：1674-957X（2022）03-0013-04

0 ?引言

氣體軸承擁有高精度、摩擦阻力小和低污染的優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于精密機(jī)械設(shè)備中[1-3]。由于空氣的可壓縮性，導(dǎo)致靜壓氣體軸承的承載力和剛度均有所下降，因此限制了靜壓氣體軸承應(yīng)用領(lǐng)域。

眾多學(xué)者為了有效提高靜壓氣體軸承的剛度和承載力進(jìn)行了大量的研究。A.P.Hao等[4]通過FVM方法，研究三種自由度特殊節(jié)流腔特性，結(jié)果表明：剖面節(jié)流腔空氣軸承具有更好的承載力。Nripen Mondal等[5]針對(duì)靜壓氣體軸承動(dòng)剛度和氣錘的問題進(jìn)行研究，對(duì)改變供氣壓力環(huán)境和節(jié)流孔也進(jìn)行了分析比較，以期提升空氣軸承的靜態(tài)性能。Uichiro Nishio等[6]采用FDM方法進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，研究靜壓氣體軸承的動(dòng)靜態(tài)特性，并加以實(shí)驗(yàn)結(jié)合驗(yàn)證。程志勇等[7]采用FDM方法并借助matlab編程，得到不同參數(shù)下的小孔節(jié)流氣體軸承靜態(tài)特性分布情況。Hiroshi Sawano等[8]提出了一種帶金屬薄板節(jié)流器以提升系統(tǒng)剛度和響應(yīng)特性，金屬薄板由于工作時(shí)兩側(cè)油壓存在差值，出現(xiàn)彈性變形，通過調(diào)整固有節(jié)流器來補(bǔ)償軸承間隙，從而獲得良好的靜態(tài)性能。李東升等[9]利用單向流固耦合的方法，分析了五種不同因素對(duì)止推型氣體靜壓軸承的影響。趙曉龍等[10]提供了在軸承承載面增設(shè)彈性均壓槽的思路，以此獲得良好的靜態(tài)特性。

從上述文獻(xiàn)得知，目前對(duì)靜壓氣體軸承的研究多集中于優(yōu)化結(jié)構(gòu)以提升軸承靜態(tài)特性，忽略了軸承表面微小變形對(duì)軸承性能的影響。本文運(yùn)用CFD軟件進(jìn)行氣固耦合仿真分析，對(duì)可變節(jié)流靜壓氣體止推軸承的靜態(tài)性能相關(guān)影響因素進(jìn)行研究，得到氣膜流場的特性分布，以及供氣壓力Ps、節(jié)流孔直徑d0對(duì)軸承承載性能的影響曲線，并對(duì)分析結(jié)果進(jìn)行整理總結(jié)。

1 ?物理模型及控制方程

可變節(jié)流器靜壓氣體軸承結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示，該結(jié)構(gòu)主要由軸承基體和薄板等部分構(gòu)成，并在薄板表面加工出與氣膜厚度相當(dāng)?shù)某跏紲\腔，起到聚氣和平穩(wěn)壓力的作用。隨著外部負(fù)載的改變，薄板部分受到內(nèi)外壓差的作用，產(chǎn)生相應(yīng)的形變，從而導(dǎo)致節(jié)流面積的改變，實(shí)現(xiàn)可變節(jié)流，以此達(dá)到提升軸承剛度的效果。

2 ?氣固耦合仿真

本次仿真使用DesignModeler軟件創(chuàng)建軸承氣體域模型，SolidWorks軟件建立薄板模型。在ICEM中進(jìn)行氣體域模型網(wǎng)格劃分，并對(duì)各邊界進(jìn)行命名。氣體域全部采用六面體結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，便于提升計(jì)算效率和減少數(shù)值誤差。薄板結(jié)構(gòu)比較簡單，采用自動(dòng)程序網(wǎng)格劃分即可。本模型中氣膜厚度為10μm，沿著縱向厚度方向等分5份。

主要結(jié)構(gòu)參數(shù)和氣體軸承模型網(wǎng)格分布如表1和圖2所示。

3 ?仿真結(jié)果及分析

本文通過建立單孔氣體軸承的氣固耦合有限元模型，搭建Ansys Workbench中氣固耦合分析模塊，分別對(duì)氣體域與固體域進(jìn)行相應(yīng)的初始化操作。計(jì)算過程中，通過System Coupling模塊進(jìn)行耦合面上數(shù)據(jù)的傳遞和交換，最后進(jìn)行后處理查看結(jié)果。其余仿真參數(shù)如表2所示。

3.1 ?供氣壓力對(duì)變形量的影響

在氣固仿真計(jì)算過程中，軸承表面薄板會(huì)受到氣膜壓力的作用，產(chǎn)生微小變形。隨著氣膜間隙h的改變，發(fā)現(xiàn)薄板也產(chǎn)生相應(yīng)的形變，并呈現(xiàn)正向的增加趨勢(shì)。當(dāng)薄板材料選定304不銹鋼，供氣壓力Ps在0.5MPa，氣膜間隙為0.01mm，其余結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示。薄板在氣膜壓力作用下的整體變形結(jié)果如圖3所示，可以看出在中心高壓耦合區(qū)域變形明顯，遠(yuǎn)離節(jié)流孔的部分幾乎無變形。

為探究供氣壓力Ps對(duì)固體薄板變形量的影響曲線，因此取供氣壓力Ps（絕對(duì)壓力）分別為0.4MPa、0.5MPa、0.6MPa，其他參數(shù)與表1相同，進(jìn)行氣固耦合分析，結(jié)果如圖4所示。

從圖4可以看出，在保持氣膜間隙等因素不變時(shí)，隨著供氣壓力的增加，變形量也在增大。氣膜間隙h等于5μm時(shí)，固體薄板的變形量為1μm，可變節(jié)流器的最大深度為19μm，和初始的淺腔深度相同。隨著供氣壓力的增大，最大變形量在數(shù)值上也隨之增大。

3.2 ?變形量對(duì)流場分布的影響

薄板的變形對(duì)流場的分布有顯著的影響，同時(shí)氣體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)對(duì)靜壓氣體軸承氣膜流場內(nèi)的力學(xué)性能有著直接影響，所以通過選取穿過中心節(jié)流孔及氣膜的縱截面，建立分析截面。則得到中心節(jié)流孔處的氣膜流場速度云圖，可以觀察到氣體在靜壓氣體軸承中的運(yùn)動(dòng)狀況。

由于模型具有對(duì)稱性，故取其一半作為查看，選取三種不同氣膜間隙h下的流場分布，分析變化產(chǎn)生的原因，結(jié)果如圖5所示。

由圖5可以看出，三種不同氣膜間隙的靜壓氣體軸承節(jié)流孔出口處附近氣膜流場的速度，均表現(xiàn)出先增加后減小，位置靠近于氣膜上、下壁面。從圖5（a）到圖5（c），靜壓軸承節(jié)流孔兩側(cè)均出現(xiàn)壓力突降現(xiàn)象，但氣膜的速度則呈現(xiàn)出突升現(xiàn)象，隨著氣膜間隙的增大，這種現(xiàn)象愈發(fā)明顯。由于可變節(jié)流器具有均壓淺腔，存在緩沖區(qū)，因此沿壁面方向速度損失較低，峰值速度出現(xiàn)在節(jié)流孔出口拐角處，且節(jié)流孔內(nèi)與節(jié)流孔出口的速度變化較為平緩，因此工作時(shí)軸承性能更加平穩(wěn)。

3.3 供氣壓力對(duì)軸承靜態(tài)性能的影響

取供氣壓力Ps（絕對(duì)壓力）為0.4MPa、0.5MPa、0.6MPa，其他參數(shù)與表1相同，進(jìn)行氣固耦合分析，探究不同供氣壓力下的軸承靜態(tài)性能。結(jié)果如圖6所示。

由圖6（a）可知：承載力峰值，隨著氣膜間隙的增加而逐漸減小，最終走勢(shì)趨于一條直線。圖6（b）可知：軸承的剛度隨供氣壓力增加而增大。當(dāng)氣膜間隙于7m時(shí)剛度最大，且最大值的位置基本一致。圖6（c）可知：耗氣量隨供氣壓力呈現(xiàn)正向增長趨勢(shì)，增長幅度基本相同。

3.4 節(jié)流孔直徑對(duì)軸承靜態(tài)性能的影響

取供氣壓力Ps（絕對(duì)壓力）P=0.5MPa，節(jié)流孔直徑分別為0.2mm、0.3mm、0.4mm，其他參數(shù)與表1相同，探究不同節(jié)流孔直徑對(duì)軸承性能的影響。結(jié)果如圖7所示。

從圖7（a）可以看到，隨著孔徑增大，軸承的承載力也出現(xiàn)上升趨勢(shì)，但增幅略微減小。由圖7（b）可看出軸承剛度都隨著氣膜間隙的增大而呈現(xiàn)先增后減的現(xiàn)象。在同等條件下，孔徑愈小，反而可以獲得較大的剛度。由圖7（c）可以看到，伴隨著孔徑的增大，耗氣量也與之俱增。綜合考慮，為得到更好的軸承性能，可優(yōu)先選取孔徑小的軸承。

4 ?結(jié)論

本文通過建立中心進(jìn)氣孔的可變節(jié)流靜壓氣體軸承模型，利用CFD計(jì)算軟件進(jìn)行氣固耦合仿真，分析軸承的主要幾何參數(shù)對(duì)其靜態(tài)性能的影響，得出如下結(jié)論：

①由于均壓淺腔的存在，使得靜壓氣體止推軸承的流場特性更平穩(wěn)，進(jìn)而有效提升軸承工作時(shí)的穩(wěn)定性。②提升供氣壓力，軸承的靜態(tài)特性參數(shù)都隨之提高，但增速也逐漸變緩。改變單一參數(shù)時(shí)，可以提高其承載力但不能提高其剛度峰值，當(dāng)氣膜間隙h約為7um時(shí)，靜壓氣體軸承同時(shí)兼?zhèn)漭^高的承載力和剛度。③節(jié)流孔的直徑越大，軸承的承載力也越大，但增大節(jié)流孔的直徑會(huì)大幅降低軸承的峰值剛度，同時(shí)也會(huì)增加耗氣量，因此，在軸承設(shè)計(jì)過程中，需要綜合考慮節(jié)流孔直徑對(duì)軸承承載力和剛度的影響。

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