微孔节流气体静压止推轴承的特性研究
气体静压止推轴承静态性能的数值仿真与实验研究
Ｗ Ｕ Ｄｉｇ ｈ Ｔ ｏ Ｊｚ ｏｎ ｎｚ ｕ ａ ｉｈ ｇ
（ｎｔ ｔ ｏ ｅｈｎ ａ Ｍ ｎｆ ｔ ｎ ｅｈｏ ｇ，ｈ ａ ｃｄｍ ｎｉｅｒ ｇＰｙｉ ， ａｙｎ ｉ ｕｎ ２９０Ｃ ｉａ Ｉ ｉ ｅ ｆ ｃａｉ ｌ ａｕ ｃ ｒ ｇＴ ｃｎｌ ｙＣ ｉ ａｅ ｙｏ Ｅ ｇ ｅｎ ｈｓ ｓＭｉ ａｇ ｅ ａ １ ，ｈ ） ｓｔ Ｍ ｕ ｃ ａｕ ｉ ｏ ｎＡ ｆ ｎ ｉ ｃ ｎ Ｓｈ ６ ０ ｎ
气 体 静 压止 推 轴 承 静 态 性 能 的数 值 仿 真 与 实 验 研 究
吴定柱 陶 继 忠
（ 国工程物理研究 院机械制造工艺研究所 四川绵 阳 ６ １０ 中 ２９ ０）
摘要 ：应用 Ｆｕｎ 软件对小孔节流气体静压止推轴承进行 了三维流场 的模 拟计算 ，分析 了节流孔孔径 、节流器工 ｌ ｔ ｅ
ｗａ ｉ ｌｔｄ ｂ ｌ ｅ ｔｓ ｆｗａｅ Ｔ ｅ ｅｆｃ ｆｔ ｅ ｄａ ｔｒｏ ｒｆ ｅｒ ｓｒｃｏ ，ｗｏ ｋｎ ｒ ａｏ ｒｆｃ ｅ ｔ ｃｏ ｎ ｕ － ｓ ｓｍｕａｅ ｙ Ｆ ｕ ｎ ｏｔ ｒ ． ｈ ｆｅ ｔｏ ｉｍｅｅ ｆｏｉ ｃ ｅ ｔ ｔ ｒ ｈ ｉ ｉ ｒ ｉｇ ａｅ ｆｏｉ ｅｒ ｓｒ ｔｒａ ｄ ｓ ｐ ｉ ｉ ｐｙ ａｒｐ ｅ ｓ ｒ ｎ ｔ ｅｓａｉ ｅｆｒ ｎ ｅ ｏ ｅ ｏ ｔｔ ｈ ｓ ｅ ｒｎ ｓｗａ ｎ ｌｚ ｄ．Ｔｈ ｅ ｕ ｔ ｈｏ ｈ ｔｔｅ ｃ ｒｙ ｎ ａ ｌ ｉ ｒ ｓｕ ｅ ｏ ｈ ｔｔｃｐ ｒｏ ｍａ ｃ ｆａ ｒ ｓａｉ ｔｒ ｔｂ ａ ｉｇ ｓａ ａｙ ｅ ｃ ｕ ｅｒ ｓ ｌｓｓ ｗ ｔ ａ ｈ ａｒ ｉ ｇｃ — ｐ ｃｔ ｆｔ ｅａ ｒｓａｉ ｈ ｓ ｅ ｒｎ ｓｄ ｃｅ ｓ ｓｗｉ ｎ ｒａ ｉ ｇｔ ｅｄ ａ ｔｒｏ ｒｆｃ ｅ ｔｉｔｒ；ｗｉ ｍａｌｇ ｓｆ ｍ ｌａ — ａ ｉ ｏ ｈ ｅｏ ｔｔｃｔｒ ｔｂ ａ ｇ ｅ ｒ ａ ｅ ｔ ｉｃ ｅ ｓｎ ｈ ｉｍｅｅ ｆｏｉ ｅｒ ｓｒｃｏ ｙ ｕ ｉ ｈ ｉ ｔ ｓ ｌ ａ ｌ ｃｅ ｒ ｈ ｉ ａｃ ｎ ｅ，ｔｅ ｓｉ ｎ ｓ ｎ ｒａ ｅ ｔ ｎ ｒ ａ ｉｇ ｔｅ ｄ ａ ｔｒｏ ｒｆｃ ｅ ｔｉｔｒ ｈ ｔ ｆ ｅ ｓｉｃ ｅ ｓ ｓｗｉ ｉ ｃｅ ｓｎ ｈ ｉｍｅｅ ｆｏ ｉ ｅｒ ｓｒｃｏ ，ｗｉｈ ｂ ｇｇ ｓｆｌ ｃｅ ｒ ｎ ｅ，ｔ ｅ ｓｉ ｎ ｓ ｎ ｆ ｈ ｉ ｔ ｉ ａ ｍ ｌａ ａ ｅ ｉ ｈ ｔｆ ｅ ｓｉ — ｆ
静压止推气体轴承性能分析
计算流体力学和相关的计算传热学，计算燃烧学的原理是用数值方法求解非线性 联立的质量、能量、组分、动量和自定义的标量的微分方程组，求解结果能预报流动、 传热、传质、燃烧等过程的细节，并成为过程装置优化和放大定量设计的有力工具。 计算流体力学的基本特征是数值模拟和计算机实验，它从基本物理定理出发，在很大 程度上替代了耗资巨大的流体动力学实验设备，在科学研究和工程技术中产生巨大的 影响。不但如此，计算流体力学还能够处理一些实验和理论分析都难以解决的问题。 NASA 曾经研究一种新型飞机(Aerospace Plane)，这种飞机将以 20 倍音速以上的速度 飞行。因为这样的马赫数远远超过现在风洞的能力，所以无法使用风洞实验满足研究
小孔节流静压止推气体轴承静特性的数值分析
2008年9月第33卷第9期润滑与密封LUBR I C A TI ON EN GI N EER I N GSe p.2008V ol 133No 193基金项目:新世纪优秀人才支持计划资助项目(NCET 20520834);长江学者和创新团队发展计划资助项目(I RT0746)1收稿日期5作者简介侯予(3—),男,教授,博士生导师,研究方向为高速透平机械及气体润滑技术、新型制冷技术等12y @1xj 111小孔节流静压止推气体轴承静特性的数值分析3侯 予1 赵祥雄2 陈双涛1 陈纯正1(11西安交通大学制冷与低温工程研究所 陕西西安710049;21河南农业大学机电工程学院 河南郑州450002)摘要:介绍了计算流体力学软件FL U E N T 及其在气体轴承研究中的应用。
针对环形小孔节流静压止推气体轴承,基于F LU E NT 软件进行了简化假设并建立了计算模型,利用FL U E N T 软件对止推气体轴承模型进行了数值分析,求解了环形小孔节流静压止推气体轴承的压力场分布、耗气量和承载能力等轴承静特性,并成功捕捉到了大气膜间隙下供气孔周围的压力突降区。
对计算结果进行了分析,并与文献计算值以及试验值进行了对比,验证了数值分析的可靠性。
关键词:气体轴承;静压轴承;止推轴承;FLUE N T中图分类号:T H11712 文献标识码:A 文章编号:0254-0150(2008)9-001-3Num er i ca l Ana lysis of Externa lly Pr essur ized Ga sThr ust Bea r i n g with Supply HolesHo u Yu 1 Zhao Xia ngxi ong 2 Che n S hua ngta o 1 Che n Chunz he ng 1(11Institute of R efri ge ra ti on and C ry ogenic Engi neering,Xi ’an J iaot ong University,X i ’an Shaanxi 710049,Ch i na;21College ofM echanical and Elec trical Enginee ring,Henan Agricultural University,Zheng zhou Henan 450002,China )A bstr ac t:A soft war e of Comp utati onal Fluid D yna m ics (CFD),F LU E N T,was intr oduced and u sed in the r esearch ofgas bearings .Physical and m athe matical models were p r opo sed and si mp lified according to the usual assump tion .B y u sing F LUEN T,the nu merical si mulati on was made on the externally p r essurized gas thrust bearing with supp ly holes .The static par ameters such as l oad capacity,p ressu rized gas c on su mp tion and the p r essure filed of this thrust bearing wer e ob tained .The characteristic of p ressure d ive close to f eeding ho les under special c onditi on was caught successfully .The numerical si mu lati on r esu lts w ere comp ared w ith the results of classic methods and ex p eri men t,which show s that the nu merical analy 2sis using F LU ENT is suitab le and of high accuracy for gas bearings .Keyword s :gas bearing;externally p ressu rized bearing;thrust bearing;FLUEN T 由于静压轴承工作稳定,使用寿命长,承载力大,加工方便,因此静压止推轴承在工业领域得到了十分广泛的应用。
空气静压主轴-轴承微振动和稳定特性分析
空气静压主轴-轴承微振动和稳定特性分析空气静压主轴-轴承微振动和稳定特性分析摘要：空气静压主轴是现代高速加工领域中广泛应用的一种主要技术装备。
本文通过对空气静压主轴的微振动和稳定特性进行分析，探讨了提高主轴精度和稳定性的方法，为空气静压主轴的进一步优化提供了参考。
关键词：空气静压主轴、轴承、微振动、稳定特性、精度一、引言空气静压主轴是一种采用气体静压原理来实现轴承支撑的主轴装置。
与传统的机械轴承相比，空气静压主轴具有摩擦小、寿命长、噪音低等优点，特别适用于高速加工领域的需求。
然而，由于空气静压主轴的工作原理本身存在一定的不稳定性，会导致微振动的产生，进而影响主轴的精度和稳定性。
因此，对空气静压主轴的微振动和稳定特性进行分析，对提高主轴的加工精度和稳定性具有重要意义。
二、空气静压主轴的微振动机理空气静压主轴的微振动主要受到以下几个因素的影响：1. 气膜刚度不均匀性：由于气膜厚度在轴向和径向上的不均匀分布，会引起气膜刚度的不均匀性，从而导致主轴的微振动。
2. 气膜传递特性：空气静压主轴的传动介质是气体，具有一定的传递时滞特性。
当主轴受到外界扰动时，气膜的饱和时间和响应时间都会导致微振动的产生。
3. 轴承的动力特性：轴承的刚度和阻尼是影响主轴微振动的重要因素。
一般来说，刚性较高的轴承可以减小主轴的振动。
三、空气静压主轴的稳定特性分析空气静压主轴的稳定性是指主轴在工作过程中的振动情况，用来评估主轴的加工精度和稳定性。
主要通过以下几个方面进行分析：1. 动力学分析：通过分析主轴的动力学特性，可以得到主轴的固有频率和振型。
固有频率越高，主轴越稳定。
2. 振动测试：利用加速度传感器等测试设备对主轴的振动进行实时监测和分析，可以了解主轴在不同工况下的振动情况，从而进一步优化主轴结构。
3. 数值模拟：通过数值模拟方法，可以对主轴的传动特性进行仿真分析，包括气膜刚度、气膜响应时间等参数的变化对振动产生的影响。
四、提高空气静压主轴稳定性的方法为了提高空气静压主轴的稳定性和加工精度，可以采取以下方法：1. 优化气膜结构：通过改变气膜刚度和厚度的分布，提高气膜的均匀性，减小主轴的微振动。
不同长径比下狭缝节流气体静压轴承的特性研究
气体静压轴承利 用 气 体 作 为 润 滑 剂，具 有 一 定 压 力的压缩空气经节流器进入轴承工作间隙并形成压力 膜 ，使 转 子 与 轴 承 工 作 面 分 离 ，进 而 支 撑 负 载 。 在 工 作 状 态 下 ，由 于 间 隙 中 始 终 充 满 着 气 体 ，所 以 轴 承 工 作 面 之 间 没 有 接 触 摩 擦 ，从 而 减 少 了 轴 承 的 磨 损 ，降 低 了 轴 承 的 发 热 量 。 因 此 ，气 体 静 压 轴 承 在 高 速 、高 精 度 以 及 特殊工况等工作环境中具有很好的应用前景。气体静 压 轴 承 常 用 的 节 流 方 式 有 小 孔 节 流 、环 面 节 流 、狭 缝 节 流、多孔质节 流 和 表 面 节 流 等 。 ［１］ 与 其 他 节 流 方 式 相 比 ，狭 缝 节 流 器 的 供 气 点 是 连 续 分 布 的 ，从 而 减 小 了 扩 散效应和环向流动对轴承特性的不利影响 。 ［２］
国内外学者对狭缝节流静压轴承进行了一系列的 研究。杜建军等研究了狭缝节流气体静压轴颈－止推 轴承静态 特 性，并 通 过 实 测 值 对 结 果 进 行 了 验 算 。 ［３］ 刘暾研究了狭缝节流气体静压润滑方程式的离散化和 相容性条件，使复杂 的 狭 缝 节 流 气 体 静 压 轴 承 有 了 统 一的计算方法 。 ［４］ 龙威等分析了不同节流器类型 对 空 气静压气体导轨静态 特 性 的 影 响，并 得 出 狭 缝 节 流 是 最合适的节流器类型 。 ［５］ 李欢欢等对单狭缝节流 径 向 静压气体轴 承 的 静 态 特 性 进 行 了 优 化 设 计［６－７］。ＩＳＥ 等建立了一个有关轴承间隙和轴承静态特性的数值分
第３期
王 仁 宗 ，等 ：不 同 长 径 比 下 狭 缝 节 流 气 体 静 压 轴 承 的 特 性 研 究
表面节流气体静压止推轴承的静态特性及实验研究
硕士学位论文（工程硕士）表面节流气体静压止推轴承的静态特性及实验研究STATIC CHARACTERISTICS AND EXPERIMENTAL STUDY OF SURFACETHROTTLING THRUST BEARING徐福鑫哈尔滨工业大学2018年6月国内图书分类号：TH133.36 学校代码：10213 国际图书分类号：621.8 密级：公开工程硕士学位论文表面节流气体静压止推轴承的静态特性及实验研究硕士研究生：徐福鑫导师：刘海涛副教授申请学位：工程硕士学科：机械工程所在单位：机电工程学院答辩日期：2018年6月授予学位单位：哈尔滨工业大学Classified Index: TH133.36U.D.C.: 621.8Dissertation for the Master Degree in EngineeringSTATIC CHARACTERISTICS AND EXPERIMENTAL STUDY OF SURFACETHROTTLING THRUST BEARINGCandidate：Xu FuxinSupervisor：Associate Prof. Liu Haitao Academic Degree Applied for：Master of Engineering Specialty：Mechanical Engineering Affiliation：School of Mechatronics Engineering Date of Defence：June, 2018Degree-Conferring-Institution：Harbin Institute of Technology哈尔滨工业大学工学硕士学位论文摘要超精密机床主轴逐渐采用气体润滑取代传统的液体润滑。
而静压气体轴承的节流方式主要为小孔节流，不过小孔节流存在承载力和刚度较低的问题，减小最佳刚度对应的气膜厚度以提高刚度和承载力是十分有效的方法，而小孔节流的结构限制了气膜厚度的降低。
动静压气体轴承动态特性分析与稳定性控制方法研究
动静压气体轴承动态特性分析与稳定性控制方法研究动静压气体轴承动态特性分析与稳定性控制方法研究摘要：动静压气体轴承是一种典型的非接触式轴承，其优势在于可实现高速、高精度及长寿命的转子支撑。
然而，动静压气体轴承的动态特性对系统的稳定性具有重要影响，对其动态特性进行分析和稳定性控制方法进行研究具有重要意义。
本文基于气体动力学原理，通过对动静压气体轴承的动态特性进行分析，并提出一种稳定性控制方法，以提高其稳定性和性能。
关键词：动静压气体轴承；动态特性；稳定性控制；气体动力学引言动静压气体轴承是一种基于气体动力学原理工作，具有非接触式支撑转子的轴承。
相较于传统的机械轴承，动静压气体轴承具有无需润滑剂、摩擦损失小、寿命长的优点，因此广泛应用于高速、高精度的转子系统中，如航空航天、精密制造等领域。
然而，由于轴承自身的结构及工作原理等因素，动静压气体轴承存在一些不稳定的动态特性，如摆动、振动、涡旋等。
本节将通过对动静压气体轴承的动态特性进行分析，以及提出一种稳定性控制方法。
希望通过这些研究，能够更好地理解动静压气体轴承的动态行为，并提供一些解决方案，以提高其稳定性和性能。
动静压气体轴承的动态特性分析动静压气体轴承的动态特性分析是研究该轴承系统稳定性的前提。
在分析之前，首先需要对动静压气体轴承的气体动力学原理有一定的了解。
动静压气体轴承是基于气体动力学原理工作的，其原理是通过强制流体在轴承内形成气体薄膜，使得转子与静子之间形成气体动力支撑，从而实现转子的非接触式支持。
基于此原理，可以建立动静压气体轴承的数学模型。
该模型通常包括动力方程和气体方程两部分。
动力方程描述了转子在轴承中受到的各种力的平衡关系，包括气膜的静压力、动压力以及摩擦力等。
而气体方程描述了气体在轴承油膜中的流动行为，一般采用雷诺平均纳维-斯托克斯方程进行描述。
通过对动力方程和气体方程的数值求解，可以得到动静压气体轴承的动态特性，如转子的偏心量、刚度系数以及阻尼系数等。
基于Fluent的小孔节流式空气静压轴承特性研究
基于Fluent的小孔节流式空气静压轴承特性研究薛义璇;陆金生;侯志勇;王燎原;单鸿波【摘要】节流孔、气腔及气膜等结构参数是影响小孔节流式空气静压轴承特性的重要因素.为系统地揭示多个设计变量对轴承静态性能的影响规律并提高轴承的气膜稳定性,建立了空气润滑轴承的理论模型,利用Fluent软件的有限元模拟获得了空气轴承的静态曲线;结合DOE仿真试验综合探究了结构参数对轴承性能的影响,并提出带倒角的气腔结构.研究表明,轴承力学性能对气腔及节流孔直径的变化较为敏感,同时也在一定程度上受其长度的影响;带倒角的气腔结构可缓解气腔内的气体冗余现象,有助于轴承稳定性的提高.该研究成果可有效地指导气体静压支撑系统的优化设计.【期刊名称】《自动化与仪表》【年(卷),期】2019(034)004【总页数】5页(P70-74)【关键词】轴承特性模拟;有限元;小孔节流;气锤现象;气腔倒角【作者】薛义璇;陆金生;侯志勇;王燎原;单鸿波【作者单位】东华大学机械工程学院,上海201620;东华大学机械工程学院,上海201620;东华大学机械工程学院,上海201620;东华大学机械工程学院,上海201620;东华大学机械工程学院,上海201620【正文语种】中文【中图分类】TH133.36空气静压轴承以气体作为润滑介质，具有运转精度高、清洁无污染、几乎无磨损且受温度影响较小等优点。
随着超精密加工技术的不断发展，小孔节流作为目前最主要的静压轴承形式被广泛应用于精密测量仪器、仪表中[1-3]。
空气静压轴承的力学性能与节流器尺寸、气腔尺寸以及气膜间隙等轴承参数密切相关，是提高仪器测量精度的基础。
因此，详实地揭示设计参数对轴承性能的影响规律，可以有效地指导空气轴承的优化设计。
1 国内外研究进展为了提高小孔节流式空气静压轴承的动、静态性能，国内外学者对轴承的设计参数进行了深入研究。
在静态性能方面，文献[4]在正交试验的基础上研究了节流器小孔的长径比与静压轴承力学性能间的关系；文献[5]采用数值模拟方法分析节流器内部流场，发现了流体域内气体速度的变化规律；文献[6]建立了空气轴承的流固耦合理论模型，在数值计算的基础上对小孔节流器结构进行优化；文献[7]利用有限差分法对径向小孔空气轴承流场进行计算和迭代，结果表明增大偏心率可提高轴承的承载力；文献[8]提出了用于计算节流参数与轴承性能之间关系的混合数值求解方法。
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微孔节流气体静压止推轴承的特性研究
高速精密机床是加工机械产品的主要工具,其性能的优劣直接决定着机械产品的质量,而精密机床的核心部件是电主轴。
在电主轴的支撑方式中,气体静压轴承随着流体润滑理论以及流体力学的发展和完善,其承载力和刚度得到提高,可
以满足精密加工的需要,因此成为精密加工设备和测试设备主轴中的主要支撑方式。
本文结合现有的狭缝节流器及孔式节流器的优缺点,提出一种微孔节流器,
它属于孔式节流的范畴,但突破了传统小孔节流器的结构形式,在节流孔的出口
处不设置气腔,均为通孔,同时结合了狭缝节流器的节流特性,在保证轴承刚度的基础上,增加供气孔数量,改善压力分布状态,进而提高轴承的特性。
根据小孔节流和环面节流的物理模型,建立微孔节流的物理模型。
依据气体轴承理论中的的雷诺方程,N-S方程、流体力学的运动方程、状态
方程以及连续方程等推导出求解微孔节流气体静压止推轴承的动静态特性的数
学方程,并利用有限差分法对推导的微孔节流气体静压止推轴承的静态方程进行差分,并利用MATLAB进行编程求解。
根据微孔节流气体静压止推轴承的物理模型,利用Solidworks软件、Gambit软件以及ICEM CFD软件等对微孔节流气体静压
止推轴承进行仿真模型的建立、网格的划分,并利用Fluent软件对模型进行求解。
利用上述两种方法对轴承的供气压力、气膜厚度、供气孔数目、无量纲供气孔分布半径以及供气孔直径等对轴承的动、静态特性的影响规律进行研究,并对微孔节流气体静压止推轴承与狭缝节流、小孔节流以及环面节流气体静压止推轴承在相同的工作参数和结构参数的静态特下性进行对比分析,最后利用正交试验法和灰色理论对微孔节流气体静压止推轴承进行优化。
根据仿真优化结果,设计、加工并制造微孔节流气体静压止推轴承,并用精密测量仪器对加工的轴承进行关键结构的测量,设计并搭建气体轴承动静态特性实验平台,在实验平台对轴承的静
态特性,包括轴承的静承载力、静刚度和轴承的动态特性,包括轴承模态、稳定性进行实验分析。
通过对微孔节流气体静压止推轴承的动静态特性的仿真与实验研究,为气体静压止推轴承的研究提供理论和实验基础。