气体静压多孔质球面轴承静态性能分析
第４０卷第１２期 机 械 工 程 学 报 Ｖｏｌ－４０ Ｎｏ．１２
２００４年１ ２月 ＣＨＩＮＥＳＥ ＪＯＵＲＮＡＬ ＯＦ ＭＥＣＨＡＮＩＣＡＬ ＥＮＧＩＮＥＥＲＩＮＧ Ｄｅｃ· ２ ０ ０ ４
气体静压多孔质球面轴承静态性能分析
芦泽坚
（哈尔滨工业大学机电学院哈尔滨１５０００１）
杜金名
（第二炮兵装备研究院第三研究所北京 １０００８５）
孙雅洲
（哈尔滨工业大学机电学院哈尔滨１５０００１）
摘要：与传统的小孔节流气体静压轴承相比，气体静压多孔质轴承具有高承载能力、高阻尼和很好的稳定性等。
气体静压多孔质球面轴承具有合力始终对准球心，轴承运转平稳等优点，既具有轴向限制同时具有径向限制，在
工业当中应用相当普遍。给出了球面轴承的理论分析、有限元推导过程，基于有限元推导过程给出了球面轴承的
理论计算静态性能。在自行研制的试验台上进行气体静压试验，由此得到轴承的静态性能。试验结果和理论计算
结果之间的吻合良好，从而说明理论计算的正确性和可行性。
关键词：气体静压轴承球面轴承静态性能有限元法
中图分类号：ＴＨ１３３－３５
０前言
１９９４年，德国的科学工作者认为对于高精度的
车床来说，传统的滚动轴承和导轨在现代工业生产 中的应用越来越受到限制【】Ｊ。对高精度和无摩擦轴
承的不断追求，外部供压流体膜润滑已经成为人们
普遍关注课题。气体静压轴承由于没有污染广泛应
用于半导体工业、纺织工业和测量仪器中，相对于
传统的滚动轴承，气体静压轴承可以把精度提高两 个数量级【２】。随着国民经济的发展，对于精密和超
精密机床、精密量仪、惯性测试设备上的主轴、球
面轴承、导轨和丝杠螺母副等关键部件的回转精度、
承载能力和刚度、速度、抗振性、摩擦磨损和寿命
等技术指标提出越来越高的要求。多孔质轴承采用
多孔质材料作为轴承表面节流器，整个轴承表面均
布微小的供气孔，气体通过多孔质材料由供气区进
入轴承间隙。多孔质材料包括以青铜、铝、铅、钛
和锡等为主的金属基材料和以石墨、碳纤维、氧化
铝和碳化硅等为主的非金属材料。由于多孔质材料
的特性，压力气体通过时产生的节流效应比一般其
它节流形式效果更好，因此可以大大提高轴承的承
载能力，并且由于轴承间隙的一侧是透气性材料，
｝国家自然科学基金资助项Ｉ￣Ｉ（５９９７５０２４）。２００４０１２０收到初稿，２００４０８０１ 收到修改稿 在轴承动载时，允许气体在其中流动，故多孔质轴承
具有更好的阻尼特性。球轴承通常主要应用在简单
对中的问题中，球轴承广泛应用于惯导设备中如陀螺
仪、姿态控制装置，在生物工程领域半球轴承通常应 用于人类的髋关节和肩关节等部位【ｊＪ。Ｎ．Ｔｉｐｅｉ和
ｖ Ｎ．Ｃｏｎｓｔａｎｔｉｎｅｓｇｕ［４ｊ首先利用球坐标系研究气体润
滑球轴承的雷诺式，Ｏ．Ｐｒｉｎｋｕｓ和Ｂ．ＳｔｅｍｌｉｃｈｔＴＭ对由
不可压缩流体润滑的半球轴承进行了分析：Ｃ．Ｈ． Ｔ．Ｐａｎ［６］研究了以恒定速度旋转的球状转子在恒定的
载荷下的性能：Ｐ．Ｒ．Ｋ．Ｍｕｆｔｉ［７］研究了多孔质球轴承
渗透性对轴承性能的影响。文中给出了球面轴承的
理论分析、有限元推导过程，基于有限元推导过程
给出了球面轴承的理论计算静态性能。在自行研制
的试验台上进行气体静压试验，由此得到轴承的静
态性能。试验结果和理论计算结果之间的吻合良好，
从而说明理论计算的正确性和可行性。
１ 理论分析
图１为多孔质球面轴承结构简图，气体在多孔
质内部的压力和速度分别为Ｐ ，“ ，ｖ ，Ｗ ，气体在
润滑薄膜内部的压力和速度分别为Ｐ，“，ｖ，Ｗ。这
样利用Ｄａｒｃｙ定律可以得到多孔质内部流体的速度
分量分别为
“，：一生型 ｒ／ｉｇ
ｒ 维普资讯 http://www.cqvip.com ｌ１６ 机械工程学报 第４０卷第ｌ２期
立型 ｒ／００
ｗ，：一立型
ｒ／ 妒
式中 ， ， ——向的渗透系数（ｍ ）
ｒ／——粘度系数（Ｐａ·ｓ） （２）
（３）
Ｏ（ｐｕ＇ｒ ｓｉｎ０）＋（ｐｖ＇ｒｓｉｎ０）＋（ｐｗ，，．）＝０（４）
誉ｒ嚣＝０ ］＋ 南（ ］
鱼＝ｒＯ０ Ｏｒ （７）二＝ · Ｉ ７ｌ ２ 、
笔：ｒ．／２ｓｉｎ （８）＝Ｓｌ — Ｉ ｌ ａ Ｏｒ２ 、
ｖ： 一 ｒ，． 一（２ ＋ＪＩ１），．＋ （ ＋ＪＩ１）］ （９） ２ｒｌ ｒＯ０ Ｌ 、 、 Ｊ 、
ｗ＝ 『，． 一（２ ＋ＪＩ１），．＋尺（ ＋ＪＩ１）］（１０） ２玎ｒｓｉｎ０ ａ Ｌ 、 、 ｊ 、 ］＝㈣
６ Ｉ
＾＝ｒ，．导ｆ，
ｋ，．ｓｉｎ ｏｒ）］＋ ｓｉｎ 南（ｒｓｉｎ ］＋
南 嚣
ｓｉｎ ０ （ ｒｒ／苦］＋ 南（ｓｉｎ ｒｒ／善］＝ ，．ａ ａ Ｊ。，．ａ …。 ａ ／
ｆ芒］Ｉ （１３）
ｐ ｈ３ Ｏｐ ０８ｐ ＋ ｐｓｉｎ ｈ３ ０ｐ ０ ８ｐ
６ ｐ ｐ ＋ ｐ ４）
Ｌｐ％ｒｓｉｎ３ｏＯ ｐＦ０８ ｐ＇ ＋
Ｌ ｒ２ Ｓｉｎ０．－＇０ ｐ＇·一
￣ｒｓｉｎ３ ０ｐ一 －０（１５）
０ ｈ３ ０ ｐ ２ ０６ ｐ２ ｒ２ ｓｉｎＯｐ＇￣－－８ｐ＇ｄＳｒ２ｒ／ Ｊｓ Ｏｒ ｖ ｖ ｌ， 』
维普资讯 http://www.cqvip.com ２００４年１２月 卢泽生等：气体静压多孔质球面轴承静态 坌 ｌ１７
件可以得到组合气体 力分布式为
ｐ志考警叫 善警 ＋
￣ｒｑ ｑＳｐｃｌＦｑ＋Ｌ 枷ｐ ＋
Ｌ ｒｓｉｎ３ＯＯ ｐ＇０８ ｐ＇ ＋Ｌ
ｓｉｎ３ 却 枷 却 ＝０（１６）
有限元式的推导包括以下几个步骤，首先把每个单
元的局部解组合起来，把整个流动区域离散为有限
单元。为了把式转变为矩阵形式的式，对于多孔质
内部和流体薄膜内部单元的插值函数分别表述如下
Ｐ （ ，Ｙ，ｚ）＝（ ）｛ｐ ｉ＝１，…， ，…，，ｌ：
ｐ（ｘ， ）＝（Ⅳｆ）｛ｐ ）ｉ＝１，…，
８ｐ 和Ｐ 具有相同的插值函数 ，５ｐ和Ｐ具有相
同的插值函数Ⅳｆ，由于插值函数的特点，局部单元
的解可以由下面的局部有限元式得到 ｋ（ｐ，Ｐ ）ｐ＝ｑ（Ｐ，Ｐ ），其中ｋ（ｐ，Ｐ ）是流体单元刚度
矩阵
ｐ志害警叫 嚆善警 ＋
￣Ｇ ｑＳｐｄＦｑ＋ ｓｉ
ｒｓｉｎ￣／９善 Ｌ
ｓｉ ｐ 一 枷 却 ＝ ７）
ｑ（Ｐ， ）为矢量
窖（ ， ） －Ｊ，－
在多孔质区域用三棱柱体单元来离散此流动区
域如图２所示，则有插值函数为
＋岛 ＋ｃｌ｝ ）０－） （ ８）
图２有限元离散模型 式中 ——三棱枉底回回积 ｈ——三棱柱高
６ｌ｝＝ 一
ｃｌ＝ 一
２Ｓ．ｈ ——：＝一 Ｉｌ—Ｚ， ａ
００＝ ２Ｓｈ ｃｆ（１一 ）一＝一ｆ ．Ｉｌ—Ｚ● ｌ、
２Ｓ．ｈ ＋ ）一＝一一●Ⅱ．十，）．［十Ｃ．口● 一 ‘
流体薄膜区域用三角形面单元来离散，
值函数为
Ⅳｆ 亩‘ ＋ ＋ＣｉＯ） （１９）
所采用的插
（２０）
式中 ， 和ｃｆ的表达式和体单元的相同。则有
所以
ｆ＝Ｎ 鸳： 盟： ｆ２１１１ —．： ＝— — ＝— Ｉ Ｉ
２４ ｄ ２４
则有
Ｌｐ 警警 ＋Ｌ础 筹×
＋ 警 ＋
ｐ ｓ 筹ｄ ＋ 等ｄ —
Ｌ ，．ｓｉｎ ｐ 号 ｄ 一Ｌ ０ Ｎ：Ｎ ，ｃｌＳ ，
（２２） 利用上面推导的公式可以进行有限元分析，可
以得到轴承的静态性能如静态刚度、承载能力等。
承载能力可以表示为
Ｗ： Ｒ ｆ ｘ／２Ｐｓｉｎ０ｃ０ｓＯｄＯ （２３）Ｊ ０ ‘
量刚一承载能力可以表示为 Ｗｃ２ （２４） ６丁ｃ，７Ｒ
静态刚度可以表示为
ｄＷ（２５）
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２试验研究
试验研究是流体静压支撑性能研究中的重要手
段，测量和分析轴承性能参数对验证理论分析和对
成功地应用及改进提高轴承性能均具有重要的现实
意义。基于此自行研制的试验台可以对流体静压进
行试验如图３所示，球轴承中的球窝为不锈钢多孔
质材料，这种材料不能满足高精度复杂型面零件的 切削加工要求，因为高精度零件的圆度、球度要用
切削加工方式获得。不锈钢多孔质材料切削加工后
孔隙均丧失，难以保证其孔隙度。利用以前加工多
孔质平面止推轴承的经验，对多孔质材料进行电火
花加工。多孔质球轴承的球窝也采用电火花加工方
法，利用仿形的原理对多孔质球窝进行加工，电火
花加工球窝后的电极可以作为气体静压球轴承的球
头，这样可以保证球窝和球头配合良好。图４为多 孔质球轴承装置的结构图。从管接头８通入高压流
体，进入密封腔，高压流体只能通过多孔质球轴承
壳体３内部无数的微小节流孔，在球轴承主轴４与
２
图３ 多孔质流体静压综合试验台
１．气缸２．柔性结头３．球头４．球窝５．密封罩
图４多孔质球轴承装置的结构图
１．支架２．球轴承底座３．多孔质球轴承壳体４．球轴承主轴
５．球轴承端盖６．球轴承端盖垫片７．球轴承底座垫片８．管接头 多孔质球轴承壳体３之间形成一层高压流体膜，将
其隔开。在实际的试验中，利用压力传感器来测定
三个不同位置的薄膜压力，同时利用压力调节阀调
节压力以改变活塞输出力的大小，对球轴承施加不
同的载荷。利用电感测微仪来测定气体静压球轴承
的轴承偏心，这样就可以得到轴承的压力分布和静
态承载能力以及静态刚度。
３试验和理论的对比
在供气压力为０．５ ＭＰａ时，得到如图５、６所示
的承载能力和刚度的试验数值曲线，并且同时给出
了有限元计算值。从图５可以看出试验数值和有限
元计算结果吻合很好，试验数值和有限元计算结果
之间的误差很小。从图６可以看出试验数值和有限
元计算结果吻合很好，在整个工作区域范围内，误
差最大不超过１０％，这在工程实际中是可取的，并
且从图形可以看出刚度的变化趋势，在实际的试验
Ｚ
翟 餐
Ｅ 置 Ｚ
越 墨 ｛鲁 盎 偏心。／肿 图５承载能力与轴承偏心关系曲线 １．试验数据２．数值计算
偏心。／蛐ｎ
图６静态刚度和轴承偏心关系曲线 １．试验数据２．
数值计算 维普资讯 http://www.cqvip.com
国内静压气体润滑技术研究进展
２０１１年４月 第３６卷第４期 润滑与密封
ＬＵＢＲＩＣＡＴＩＯＮ ＥＮＧＩＮＥＥＲＩＮＧ Ａｐｒ．２０１１ Ｖｏｌ＿３６ Ｎｏ．４
ＤＯＩ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．０２５４—０１５０．２０１１．０４．０２６
国内静压气体润滑技术研究进展
冯慧成侯予陈汝刚赵红利
（西安交通大学能源与动力工程学院 陕西西安７１００４９）
摘要：简述静压气体润滑轴承的发展，介绍国内静压气体球轴承，小孔节流、表面节流与多孔质节流静压气体轴 承以及静压气体润滑数值模拟与实验研究的进展，展望未来国内静压气体轴承的发展趋势。介绍通过“比例分割算 法”、遗传算法、相似准则等研究各型球轴承所得到的结构参数取值范围与优化设计方法等方面的研究成果和小孔节流 轴承新的迭代算法与收敛判据及理论与数值计算结论与性能分析的实验数据，以及结构参数对表面节流轴承性能影响的 研究成果与两种新型表面节流轴承和材料参数与结构形式对多孔质轴承性能的影响。针对静压气体轴承超声速现象和激 波存在性问题，介绍轴承超声速场适用的ＳＳＴ ｋ－ｃｏ湍流模式的Ｎ．Ｓ润滑方程和在此基础上获得的数值计算与理论分析结 论及试验验证所取得的研究进展，并探讨静压气体轴承入口处压力突降的现象。 关键词：静压气体润滑；球轴承；小孔节流；表面节流；多孔质 中图分类号：ＴＨ１１７．１ 文献标识码：Ａ 文章编号：０２５４—０１５０（２０１１）４—１０８—６
Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｏｆ Ｈｙｄｒｏｓｔａｔｉｃ Ｇａｓ Ｌｕｂｒｉｃａｔｉｏｎ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｉｎ Ｃｈｉｎａ
Ｆｅｎｇ Ｈｕｉｃｈｅｎｇ Ｈｏｕ Ｙｕ Ｃｈｅｎ Ｒｕｇａｎｇ Ｚｈａｏ Ｈｏｎｇｌｉ
（Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｅｎｅｒｇｙ ａｎｄ Ｐｏｗｅｒ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｘｉ’ａｎ Ｊｉａｏｔｏｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｘｉ’ａｎ Ｓｈａａｎｘｉ ７１００４９，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ｐｒｏｇｒｅｓｓ ｏｆ ｈｙｄｒｏｓｔａｔｉｃ ｇａｓ ｂｅａｒｉｎｇｓ ｗａｓ ｏｕｔｌｉｎｅｄ．Ｔｈｅ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｓ ｏｆ ｄｏｍｅｓｔｉｃ ｈｙｄｒｏｓｔａｔｉｃ ｇａｓ ｂａｌｌ ｂｅａｒ－
气体静压轴承的计算机辅助设计
第２７卷第１期 ２ ０ ０ ６年３月 哈 尔 滨 轴 承 ＪＯＵＲＮＡＬ ＯＦ ＨＡＲＢ ＩＮ ＢＥＡＲＩＮＧ Ｖｏ１．２７ Ｎｏ．１ Ｍａｒ．２ ０ ０ ６
气体静压轴承的计算机辅助设计
李华川 ，黄尚猛 ，晏小锋
（１ Ｅ京科技大学机械工程学院，北京１０００８３；２．广西机电职业技术学院，广西南宁５３０００７）
摘要：将ＶＢ编程语言应用于气体静压轴承的工程计算及参数的优化设计，以获得合理的结构参数。用ＶＢ编 写的设计软件使用方便快捷，大大提高气体静压轴承设计精度和效率，实现了设计自动化。 关键词：气体静压轴承；Ⅶ；辅助设计 中图分类号：ＴＨ１３３．３５ 文献标识码：Ａ 文章编号：１６７２－４８５２（２００６）０１．００６０．０４
ＬＩ Ｈｕａ—ｃｈｕａｎ ，ＨＵＡＮＧ Ｓｈａｎｇ－ｍｅｎｇ２，ＹＡＮ Ｘｉａｏ—ｆｅｎｇ
（１．Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｃｏｌｌｅｇｅ，Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆＳｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｂｅｉｊｉｎｇ，Ｂｅｉｊｉｎｇ １０００８３，Ｃｈｉｎａ；２．Ｇｕａｎｇｘｉ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｃａｌ Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆＭａｃｈｉｎｅｒｙ ａｎｄ Ｅｌｅｃｔｒｉｃｉｔｙ，Ｎａｎｎｉｎｇ ５３０００７，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂ瞳嗽Ｖｉｓｕａｌ ｂａｓｉｃ ｉｓ ｉｍｐｌｉｅｄ ｆｏｒ ｔｈｅ ａｉｒ ｓｔａｔｉｃ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｂｅａｔｉｎｇ ｄｅｓｉｇｎ ＳＯ ａｓ ｔｏ ｏｂｔａｉｎ ｒａｔｉｏｎａｌ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｐａｒａｍｅ－ ｔｅｒｓ．Ｔｈｅ Ｃｏｍｐｕｔｅｒ－ａｉｄｅｄ ｄｅｓｉｇｎ ｓｏｆｔｗａｒｅ ｃｏｍｐｉｌｅｄ ｂｙ ｕｓｉｎｇ ｖｉｓｕａｌ ｂａｓｉｃ ｃａｎ ｃａｌｃｕｌａｔｅ ｆｏｒｍｕｌａｓ ｃｏｎｖｅｎｉｅｎｔｌｙ ａｎｄ ｒａｉｓｅ ｔｈｅ ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ ａｎｄ ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ ｏｆ ｄｅｓｉｇｎｉｎｇ．Ｔｈｅ ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ａｉｒ ｓｔａｔｉｃ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｂｅａｒｉｎｇ ｄｅｓｉｇｎ ｈａｓ ｂｅｅｎ ｒｅａｌ－ ｉｚｅｄ． Ｋ 神：ｔｈｅ ａｉｒ ｓｔａｔｉｃ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｂｅａｒｉｎｇ；ＶＢ；ａｉｄｅｄ Ｄｅｓｉｇｎ
小孔节流式盘状静压止推气体轴承主要几何参数的设计
２０１２年１月 第４０卷第１期 机床与液压
ＭＡＣＨＩＮＥ ＴＯ０Ｌ＆ＨＹＤＲＡＵＬＩＣＳ Ｊａｎ．２０１２ Ｖｏ１．４０ Ｎｏ．１
ＤＯＩ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００１—３８８１．２０１２．０１．０２６
小孔节流式盘状静压止推气体轴承主要几何参数的设计
郭良斌，宣立明，王卓，彭宝林
（武汉科技大学机械自动化学院，湖北武汉４３００８１）
摘要：采用保角变换有限元方法计算量纲一的供气孔分布圆半径ｃ、供气孔直径ｄ和供气孔数ｎ对小孔节流盘状静压
止推气体轴承静态性能的影响。对承载力特性影响较大的参数是供气孔直径ｄ和供气孔数ｎ，对流量和静刚度特性影响较 大的参数是量纲一的供气孔分布圆半径Ｃ、供气孔直径ｄ和供气孔数ｎ。按照优先考虑静刚度指标和兼顾流量、承载力指
标的设计原则，从分析中得到了一般情况下该类轴承主要几何参数的推荐取值范围。 关键词：静压止推气体轴承；小孔节流；静特性；参数设计 中图分类号：ＴＨ１３３．３６ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００１—３８８１（２０１２）１—０９５—４
Ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ Ｍａｉｎ Ｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎ Ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｏｆ Ｅｘｔｅｒｎａｌｌｙ Ｐｒｅｓｓｕｒｉｚｅｄ
Ｃｉｒｃｕｌａｒ Ｔｈｒｕｓｔ Ｇａｓ Ｂｅａｒｉｎｇｓ ｗｉｔｈ Ｏｒｉｆｉｃｅ Ｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎ
ＧＵＯ Ｌｉａｎｇｂｉｎ，ＸＵＡＮ Ｌｉｍｉｎｇ，ＷＡＮＧ Ｚｈｕｏ，ＰＥＮＧ Ｂａｏｌｉｎ
（Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆ Ｍａｃｈｉｎｅｒｙ ａｎｄ Ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ，Ｗｕｈａｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｗｕｈａｎ Ｈｕｂｅｉ ４３００８１，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎｆｌｕｅｎｃｅｓ ｏｆ ｃｈａｎｇｅｓ ｏｆ ｄｉｍｅｎｓｉｏｎｌｅｓｓ ｏｒｉｆｉｃｅ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅ ｃｉｒｃｌｅ ｒａｄｉｕｓ Ｃ，ｏｒｉｆｉｃｅ ｎｕｍｂｅｒ ｎ ａｎｄ ｏｒｉｆｉｃｅ ｄｉａｍｅｔｅｒ ｄ ｔｏ
气体轴承及磁悬浮轴承在低温透平膨胀机上的应用
气体轴承及磁悬浮轴承在低温 透平膨胀机上的应用 王丽丽 （吉林石化公司化肥厂空分车间 吉林吉林１３２０２１） 引言 空分装置是采用深度冷冻的方 法，将空气中的氧气、氮气及其他稀 有气体根据其沸点不同而进行分离的 装置。它分离空气时获得低温的方
Ｉ 【摘要】对现有低温透平膨胀机主轴轴承工作状况进行分析。介绍了气体 轴承及新型磁悬浮轴承的结构和工作特点。分别对其性能做出比较。 【关键词】低温透平膨胀机 气体轴承 磁悬浮轴承 应用 法主要有两种途径，一是节流制 冷，二是膨胀机制冷。膨胀机是一 种利用压缩气体在机内绝热膨胀、 对外做功，使得压缩气体自身能量 下降，温度降低，由此而获得低温 气体的机器。它作为空分系统中产 生冷量的重要设备，比较常见的主 要有两种基本形式，一是透平式膨 胀机，二是往复活塞式膨胀机。前 者与后者相比，又具有外形尺寸 小、质量轻、加工空气量大、工 作性能稳定、运转周期长等优点， 且其机内的工作工程更接近于等熵 （绝热）过程，具有绝热效率高的 特点。 由其工作特点所决定的，透平式 膨胀机主轴转速很高，因此主轴轴承 的性能好坏直接影响到透平膨胀机能 否正常工作。我厂空分车间几套空分 装置均采用透平式膨胀机，主轴轴承 为滑动轴承，润滑形式为油润滑。这 种主轴轴承由油润滑的膨胀机在工作 时，机壳间的机械密封并不能达到严 格意义上的密封效果，因此存在着 压力相对较高的润滑油窜入压力相对 较低的膨胀空气中的可能性，而后 油随着空气进入精馏塔，这是极其 危险的。其次，冷量也可能在密封 不严处泄漏，冻结轴承润滑油，使 之降低或者失去润滑效果，由此而 引发烧瓦事故。虽然通过引进密封 气来防止上述的事故发生，但是其 危险性还是存在的，所以可以考虑 采用别的轴承形式。 １ 空气轴承 低温透平膨胀机中，由于进口 介质温度低，膨胀比大，尤其是在小 流量时，工作轮直径较小，膨胀机比 焓降大，为了达到较高的绝热效率， 势必使得膨胀机转子转速较高。这种 场合下，油润滑轴承由于本身的缺陷 就很难达到设备的运转要求。而气体 轴承具有摩擦损失低、无污染、适应 温度范围广、运转平稳、使用时间长 等优点，能大大提高透平膨胀机的经 济效益。 空气轴承是利用空气弹性垫来 起支承作用的一种轴承，由于气体的 粘度很小，故而气体轴承的承载能力 一般只有油载轴承的ｌ％左右。但是 最重要的是没有油污染，机械接触基 本很少，其环保和安全性是勿庸置 疑的，转动部件的磨损也能减少到 最低程度。气体承载分静压轴承和 动压轴承，但是现在使用较多的还 是静压轴承。静压轴承需要外界不 断供气，需要消耗外界部分能量， 。。，．。 ．石油＿化工设－ｆ ３５
圆柱度测量仪用多孔质气体静压导轨的设计
璺 ！ 二 ２ ＣＮ４１—１１４８／ＴＨ 轴承２００８年１期 Ｂｅａｔｉｎｇ ２００８，Ｎｏ．１
圆柱度测量仪用多孔质气体静压导轨的设计
郝大庆 ，朱孔敏 ，邱 明 ，王海燕。
（１．河南科技大学，河南 洛阳４７１００３；２．洛阳轴承研究所，河南 洛阳４７１０３９；３．洛阳质量技术监督局， 河南洛阳４７１００３）
摘要：设计了一种多孔质气体静压导轨，分析了导轨结构性能，通过在滑动导轨内表面开极浅的凹槽，可有效地 提高导轨的阻尼和平均刚度，介绍了气体静压导轨的结构设计和多孔质材料的制备工艺过程。试验表明，此导 轨有效提高了测量仪器的测量精度和使用寿命。 关键词：滚动轴承；圆柱度测量仪；空气静压导轨；多孔质材料 中图分类号：ＴＨ１３３．３３；ＴＧ８３５；＇ＩＶ＿，８０３ 文献标志码：Ｂ 文章编号：１０００—３７６２（２００８）０１—００３６－０３
圆柱度测量仪是测量精密机械零件的专用仪
器，如测量机床主轴零件、发动机活塞的圆柱度、
轮廓度和精密轴承垂直差等，是制造业精密零件
加工中不可缺少的测量仪器。以前我单位的测量
仪器中，立柱导轨使用的接触滑动导轨副，是在与
静导轨配合方向的动导轨面上安装一些小直径半
球体，这些半球体的顶部与静导轨始终接触，从而
以点接触代替面接触来实现动导轨与静导轨之间
的定位。点接触代替面接触虽然减少了摩擦面
积，但是这种接触摩擦振动和摩擦力大、磨损快，
严重影响使用寿命和使用精度。针对这种情况我
单位设计了一种高精度多孔质气体静压导轨，以
气体润滑代替接触摩擦，从而解决了上述缺点。
气体静压导轨运动平稳、运行精度高、高速运
动时温升和振动小、噪声低。一般常用的气体静压
收稿１５１期：２００７—０８—１３；修回１５１期：２００７—１０—２３ 滑动导轨类型有小孑Ｌ型和多孔质节流型。多孔质
节流承载能力高、刚度和流量大，最主要的是稳定 性好和涡流力矩小…，极大地提高了仪器的测量
流体静压多孔质球面轴承静态性能分析
２００６年４月 第４期（总第１７６期） 润滑与密封 ＬＵＢＲＩＣＡＴＩＯＮ ＥＮＧＩＮＥＥＲＩＮＧ Ａｐｒ．２００６ Ｎｏ．４（ｓｅｒｉａｌ Ｎｏ．１７６）
流体静压多孔质球面轴承静态性能分析
杜金名田春祥
（第二炮兵装备研究院北京１０００８５）
摘要：对流体静压多孔质球面轴承进行理论分析，给出了其有限元计算方法，同时利用实验验证理论计算的正确 性。结果表明，气体静压实验数值和有限元计算结果吻合良好，实验数值和有限元计算结果之间的误差小于１０％，产 生误差的原因是有限元数值计算没有考虑到流体的惯性效应、速度滑移、多孔质球窝的变形以及轴承表面粗糙度的影 响；气体静压球面轴承的承载能力和静态刚度明显小于液体静压球面轴承，气体静压球面轴承刚度低的主要原因是所用 的多孑Ｌ材料孑Ｌ隙度较大，即多孔材料的渗透率较大。 关键词：流体静压；多孑Ｌ质；球面轴承；静态性能 中图分类号：ＴＨＩ３３．３文献标识码：Ａ文章编号：０２５４—０１５０（２００６）４—０９２—３
Ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ Ｓｔａｔｉｃ Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｏｆ Ｈｙｄｒｏｓｔａｔｉｃ ａｎｄ Ａｅｒｏｓｔａｔｉｃ
Ｐｏｒｏｕｓ Ｓｐｈｅｒｉｃａｌ Ｂｅａｒｉｎｇｓ
ＤＵ Ｊｉｎｍｉｎｇ Ｔｉａｎ Ｃｈｕｎｘｉａｎｇ
（Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｓｅｃｏｎｄ Ａｒｔｉｌｌｅｒｙ，Ｂｅｉｊｉｎｇ １０００８５，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌ ａｎａｌｙｓｉｓ ａｎｄ ｆｉｎｉｔｅ ｅｌｅｍｅｎｔ ｍｅｔｈｏｄ（ＦＥＭ）ｏｆ ｈｙｄｒｏｓｔａｔｉｃ ａｎｄ ａｅｒｏｓｔａｔｉｅ ｐｏｒｏｕｓ ｂｅａｒｉｎｇｓ ＷａＳ
ｐｒｅｓｅｎｔｅｄ．Ｔｈｅ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ ｗａｓ ｄｏｎｅ ＳＯ ａｓ ｔｏ ｖｅｒｉｆｙ ｔｈｅ ｃｏｒｒｅｃｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌ ａｎａｌｙｓｉｓ．Ｒｅｓｕｌｔ ｓｈｏｗｓ ｔｈａｔ ａｅｒｏｓｔａｔｉｃ ｐｏｒｏｕｓ
误差对气体球轴承动静压混合承载性能的影响分析
误差对气体球轴承动静压混合承载性能的影响分析
口秦冬黎 口姚英学 口张海兵
哈尔滨工业大学机电工程学院， 哈尔滨 １５０００１
摘要：针对一种新型结构的小孔节流气体静压球轴承，结合其制造方法，分析了在制造、安装及工作过程中可能产
生的误差，采用有限元方法求解气体润滑雷诺方程，定量分析了各误差对静压和动静压混合润滑爷件下承载性能的影响
规律，对该类轴承的设计制造和性能保障有重要的指导价值。
关键词：气体球轴承误差承载性能动静压混合
中图分类号：ＴＨ１３３．３５ 文献标识码：Ａ 文章编号：１０００—４９９８（２００７）０３—００５５—０４
高速气体静压轴承在精密机械、高速机械和惯性
器件上的应用受到广泛关注，但因其采用气体作为承
载介质，存在承载能力低、刚度小的缺点，设计和制造
中往往需要特别注意参数的选择。另外，由于轴承间隙
很小、零件的制造和安装精度要求很高，因而制造、安
装和工作过程中的误差因素对轴承承载性能的影响不 容忽视。故针对特定的轴承结构，分析误差的产生原
因，得出误差对性能的影响规律，是保证设计、制造方
案可行性的必要环节。
目前由误差对气体轴承性能影响的研究，多针对
静态下的圆柱轴承或平面止推轴承进行“一１。在惯性器
件中应用受到广泛关注的球形气体静压轴承，制造难
收稿日期：２００６年９）３ 度大，误差的影响更不容忽视。另外，该轴承在高速下
工作，润滑状态不再是静压润滑，而是包含速度效应的
动静压混合润滑，此时误差对承载性能的影响与相应
条件下的纯静压润滑时有何异同，目前缺乏这方面的
比较研究。 本文针对一种在高速状态下工作的新型气体静压
多孔节流球轴承，利用有限元方法求解雷诺润滑方程，
对误差因素及其对承载性能的影响进行了分析，并比
较了在纯静压和动静压混合润滑条件下，各误差因素
对承载性能影响的不同。文中涉及的误差为：球腔制造
和装配过程中产生的误差、不同方位的转子非球度误
差、工作温度引起的气膜间隙的变化以及离心力引起
气体静压小孔节流与多孔质节流性能的比较
气体静压ｄｘ：￣Ｌ节流与多子Ｌ质节流性能的比较 杜金名 卢泽生 孙雅洲（哈尔滨¨Ｌ业大学１５０００１） 摘要：本文给出了传统的小孑Ｌ节流和多孑Ｌ质节流轴承的理论分析，分析了外部供压气体轴承的进气形式对轴承性 能的影响。对于不同类型的小孑Ｌ节流和多孔质节流的轴承，本文给出＿厂实验结果，并对轴承的性能参数即承载能力、 刚度等进行＿ｒ比较。作者分析了小孑Ｌ节流和多孑Ｌ质节流止推轴承的承载能力和刚度，结果表明多孑Ｌ质止推轴承同小孑Ｌ 节流轴承相比，具有高的承载能力。 关键词：小孔节流轴承 多孔质止推轴承静态刚度 Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ Ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ ｏｆ Ｏｒｉｆｉｃｅ Ｒｅｓｔｒｉｃｔｅｄ ａｎｄ Ｐｏｒｏｕｓ Ｇａｓ Ｈｙｄｒｏｓｔａｔｉｃ Ｂｅａｒｉｎｇｓ Ｄｕ ｄｉｎｍｉｎｇ Ｌｕ Ｚｅｓｈｅｎｇ Ｓｕｎ Ｙａｚｈｏｕ（Ｈａｒｂｉｎ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｔｔｘ￣ｈｎｏｌｏｇｙ，Ｈａｒｂｉｎ １５０００１） Ａ 翟ｄ：Ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｐｒｅｓｅｎｔｓ ｔｈｅ ｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌ ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ｃｏｎｖｅｎｔｉｏｎａｌ ｏｒｉｆｉｃｅ ｒｅｓｔｒｉｃｔｅｄ ｂｅａｒｉｎｇｓ ａｎｄ ｐｏｒｏｕｓ ｂｅａｒｉｎｇｓ．ａｎｄ ａｎａｌｙｚｅｓ ｔｈｅ ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ ｏｆ ｆｅｅｄｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ ｔｙｐｅ Ｏｉｌ ｔｈｅ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｏｆ ｅｘｔｅｒｎａｌｌｙ ｐｒｅｓｓｕｒｉｚｅｄ ｇａｓ ｂｅａｒｉｎｇｓ．Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｌｙ ｉｔ ｃ Ｉｌ ｓ ｔｈｅｉｒ ｂｅａｒｉｎｇ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｓ ｉｎｇ ｌｏａｄ ｃａｐａｃｉｔｙ ａｎｄ ｓｔｉｆｎｅｓｓ．Ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｐｏｒｏｕｓ ｔｈｒｕｓｔ ｂｅａｒｉｎｇｓ ｈａｓ ｈｉｇｈ ｌｏａｄ ｃａｐａｃｉｔｙ ｃｏ￣ｐａｒｅａ ｗｉｔｈ ｏｒｉｆｉｃｅ ｂｅａｒｉｎｇｓ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：Ｏｒｉｆｉｃｅ Ｒｅｓｔｒｉｃｔｅｄ Ｂ朗 Ｐｏｒｏｕｓ Ｔｈｒｕｓｔ Ｂ朗 Ｓｔａｔｉｃ Ｓｔｉｆｎｅｓｓ 关于气体轴承节流系统方面的研究已经很多 了¨，５１。Ｓｔｉｆｉｅｒ已经提出了一种补偿小孑Ｌ节流的设计 步骤，可以通过适当地调节节流孑Ｌ隙数使轴承达到最 大刚度和阻尼；在假设轴承的进气小孑Ｌ数量足够多的 情况下，利用分析方法计算轴承性能。Ｂ０ｅ ｕ４ Ｊ和 Ｓｔｏｗｅｌｌ＿５ 实验验证节流小孑Ｌ的尺寸对空气止推轴承的 刚度和阻尼的影响，如果小孑Ｌ的尺寸能够很好地选 择，那么止推轴承就能达到所要求的刚度和阻尼。 对于多孑Ｌ质节流系统，Ｔｉａｎ＿６ｊ认为多孑Ｌ质轴承的 刚度通常小于内凹式ｆｌ＇￣Ｌ节流轴承。有些学者认为多 孔质轴承的阻尼系数要比小孑Ｌ节流轴承的阻尼系数大 ５倍，而多孑Ｌ质材料的渗透系数是决定轴承性能的关 键因素。对于多孑Ｌ质轴承为了达到高刚度以及适当的 工作范围，多孑Ｌ质材料的渗透系数要低于１０ ＿７ｊ。 １ 小孔节流和多孔质节流 （１）小孑Ｌ节流止推轴承
气体静压轴承用多孔SiC陶瓷的制备及静态性能
第４５卷第３期 ２０１１年３月 西 安 交通 大 学 学报 ＪＯＵＲＮＡＩ ＯＦ ＸＩ ＡＮ ＪＩＡＯＴＯＮＧ ＵＮＩＶＥＲＳＩＴＹ Ｖｏ１．４５ Ｎｏ．３ Ｍａｒ．２Ｏ１１ 气体静压轴承用多子Ｌ ＳｉＣ陶瓷的制备及静态性能 于雪梅 （淮海工学院机械＿Ｔ程学院，２２２００５，江苏连云港） 摘要：以 —ＳｉＣ和５－ＳｉＣ粉末为原料，羧甲基纤维素为造孔剂，制备了多孔ＳｉＣ陶瓷．探讨了烧结温 度、成型压力和造孔剂含量对ＳｉＣ陶瓷的气孔率、显气孔率以及弯曲强度的影响，研究了用不同渗 透率的多孔ＳｉＣ陶瓷制备气体静压轴承的承栽能力和静态刚度．结果表明：在高温下，５－ＳｉＣ转变为 ｄ—ＳｉＣ，同时，通过ａ—ＳｉＣ的蒸发一凝聚过程实现了ＳｉＣ陶瓷的烧结，并形成无收缩自结合结构；试样 的气孔率和显气孔率随烧结温度和成型压力的增加而略有降低，但弯曲强度却增大；造孔剂含量越 高，试样的气孔率和显气孔率越大，弯曲强度越低．添加质量分数为１Ｏ 的造孔剂，经２５０ ＭＰａ冷 等静压成型，在２ ４００℃下制备的试样气孔率和显气孔率分别为２８．９１ 和２４．０３ ，渗透率为 ７．７４×１０ 。ｍ ，弯曲强度为６３．８ ＭＰａ．因此，多孔ＳｉＣ陶瓷的渗透率越低，利用它制备的气体静 压轴承的承载能力越低，静态刚度就越高． 关键词：多孔ＳｉＣ陶瓷；气体静压轴承；气孔率；静态性能 中图分类号：ＴＨ１３３．３６文献标志码：Ａ文章编号：０２５３—９８７Ｘ（２０１１）０３—０１１７—０４ Ｐｒｅｐａｒａｔｉｏｎ ａｎｄ Ｓｔａｔｉｃ Ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｏｆ Ｐ０Ｉ ｕｓ ＳｉＣ Ｃｅｒａｍｉｃ ａｓ Ａｅｒｏｓｔａｔｉｃ Ｂｅａｒｉｎｇ ＹＵ Ｘｕｅｍｅｉ （Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｈｕａｉｈａｉ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｌｉａｎｙｕｎｇａｎｇ，Ｊｉａｎｇｓｕ ２２２００５，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｐｏｒｏｕｓ ＳｉＣ ｃｅｒａｍｉｃｓ ｗｅｒｅ ｐｒｅｐａｒｅｄ ｗｉｔｈ ａ—ＳｉＣ ａｎｄ ＳｉＣ ｐｏｗｄｅｒｓ，ａｎｄ ｃａｒｂｏｘｙｍｅｔｈｙｌ ｃｅｌｌｕｌｏｓｅ（ＣＭＣ）ａｓ ｔｈｅ ｐｏｒｅ ｅｎｔｒａｉｎｉｎｇ ａｇｅｎｔ．Ｔｈｅ ｐｏｒｏｓｉｔｙ，ｏｐｅｎ ｐｏｒｏｓｉｔｙ，ａｎｄ ｔｈｅ ｆｌｅｘｕｒａｌ ｓｔｒｅｎｇｔｈ ａｓ ｆｕｎｃｔｉｏｎｓ ｏｆ ｓｉｎｔｅｒｉｎｇ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｓ，ｓｈａｐｉｎｇ ｐｒｅｓｓｕｒｅｓ，ａｎｄ ｐｏｒｅ ｅｎｔｒａｉｎｉｎｇ ａｇｅｎｔ ｃｏｎｔｅｎｔ ｗｅｒｅ ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｅｄ．Ｔｈｅ ｌｏａｄ ｃａｐａｃｉｔｙ ａｎｄ ｔｈｅ ｓｔａｔｉｃ ｓｔｉｆｆｎｅｓｓ ｏｆ ａｅｒｏｓｔａｔｉｃ ｂｅａｒｉｎｇ ａｓｓｅｍ— ｂｌｅｄ ｂｙ ｐｏｒｏｕｓ ＳｉＣ ｃｅｒａｍｉｃｓ ｗｉｔｈ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｐｅｒｍｅａｂｉｌｉｔｙ ｗｅｒｅ ｓｔｕｄｉｅｄ．Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｐｏｒ— ＯＵＳ ＳｉＣ ｃｅｒａｍｉｃ ｉｓ ａｂｌｅ ｔｏ ｂｅ ｐｒｅｐａｒｅｄ ｗｈｅｎ ｔｈｅ ５－ＳｉＣ ｃｏｎｖｅｒｔｓ ｔｏ口一ＳｉＣ ｂｙ ｔｈｅ ａｇｇｒｅｇａｔｅｓ ｃｏｎｎｅｃ— ｔｉｏｎ ｉｎ ｈｉｇｈ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｒａｎｇｅ．Ｔｈｅ ｐｏｒｏｓｉｔｙ ａｎｄ ｔｈｅ ｏｐｅｎ ｐｏｒｏｓｉｔｙ ｄｅｃｒｅａｓｅ ａｎｄ ｔｈｅ ｆｌｅｘｕｒａｌ ｓｔｒｅｎｇｔｈ ｉｎｃｒｅａｓｅｓ ｗｉｔｈ ｉｎｃｒｅａｓｉｎｇ ｓｉｎｔｅｒｉｎｇ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｓ ａｎｄ ｓｈａｐｉｎｇ ｐｒｅｓｓｕｒｅｓ．Ｔｈｅ ｐｏｒｏｓｉｔｙ ａｎｄ ｔｈｅ ｏｐｅｎ ｐｏｒｏｓｉｔｙ ｉｎｃｒｅａｓｅｓ ａｎｄ ｔｈｅ ｆｌｅｘｕｒａｌ ｓｔｒｅｎｇｔｈ ｄｅｃｒｅａｓｅｓ ｗｉｔｈ ｉｎｃｒｅａｓｅ ｏｆ ｐｏｒｅ ｅｎｔｒａｉ— ｎｉｎｇ ａｇｅｎｔ ｃｏｎｔｅｎｔ．Ｆｏｒ ｔｈｅ ｓａｍｐｌｅ ｗｉｔｈ １０ （ｍａｓｓ ｆｒａｃｔｉｏｎ）ＣＭＣ ｐｒｅｐａｒｅｄ ａｔ ２５０ ＭＰａ ａｎｄ ２ ４００℃，ｔｈｅ ｐｏｒｏｓｉｔｙ ａｎｄ ｏｐｅｎ ｐｏｒｏｓｉｔｙ ｇｅｔ ｒｅｓｐｅｃｔｉｖｅｌｙ ２８．９ １ ａｎｄ ２４．０３ ，ｔｈｅ ｐｅｒｍｅａｂｉｌｉｔｙ ｒｅａｃｈｅｓ ｔＯ ７．７４×１０一 。ｍ。。ｆｌｅｘｕｒａｌ ｓｔｒｅｎｇｔｈ ｉｓ ６３．８ ＭＰａ．Ｔｈｅ ｌｏｗｅｒ ｔｈｅ ｐｅｒｍｅａｂｉｌｉｔｙ ｏｆ ｔｈｅ ｐｏｒ— ＯＵＳ ＳｉＣ ｃｅｒａｍｉｃ，ｔｈｅ ｌｏｗｅｒ ｌｏａｄ ｃａｐａｃｉｔｙ ａｎｄ ｔｈｅ ｈｉｇｈｅｒ ｓｔａｔｉｃ ｓｔｉｆｆｎｅｓｓ ｏｆ ａｅｒｏｓｔａｔｉｃ ｂｅａｒｉｎｇ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｐｏｒｏｕｓ ＳｉＣ ｃｅｒａｍｉｃ；ａｅｒｏｓｔａｔｉｃ ｂｅａｒｉｎｇ；ｐｏｒｏｓｉｔｙ；ｓｔａｔｉｃ ｐｒｏｐｅｒｔｙ 气体静压轴承具有摩擦磨损极小、摩擦热少、运 动精度高等优点，因而在精密超精密工程、空间技 术、电子精密仪器等领域中，得到了广泛应用 引．目 前，小孔节流技术在理论和试验上都比较成熟，但因 承载能力低的缺点则限制了被广泛应用．多孑Ｌ质节 流可以明显提高气体静压轴承的承载能力 ，并且 收稿日期：２０１０—０５—１７． 作者简介：于雪梅（１９７５－－），女，讲师． 基金项目：国家自然科学基金资助项目（５９９７５０２４）；江苏省 自然科学基金资助项目（ＢＫ２００９６３８）；淮海工学院自然科学研究资助项目（Ｚ００８００２）．
基于FLUENT软件的多孔质静压轴承静态特性的仿真与实验研究
２００７年３月 第３５卷第３期 机床与液压 ＭＡＣＨＩＮＥ ＴＯＯＬ＆ＨＹＤＲＡＵＬＩＣＳ Ｍａｒ．２００７ Ｖｏ１．３５ Ｎｏ．３
基于ＦＬＵＥＮＴ软件的多孔质静压轴承静态特性的仿真与实验研究
孙雅洲，卢泽生，饶河清 （哈尔滨工业大学机电工程学院，哈尔滨１５０００１） 摘要：将计算流体力学中的ＦＬＵＥＮＴ软件成功地引入到多孔质静压轴承研究领域。该软件对边界条件、计算模型、控 制参数及网格质量方面都有严格要求。本文应用该软件对多孔质静压径向轴承进行了三维流场的计算，得到了气体在多孔 质静压轴承中的压力变化图像及轴承承载能力的数据，进而可以根据承载能力计算轴承的静态刚度。最后在自行研制的实 验台上对仿真结果进行实验验证。 关键词：多孔质；静压轴承；ＦＬＵＥＮＴ软件；静态特性 中图分类号：ＴＨ１３３．３６；ＴＰ３９１．９ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００１—３８８１（２００７）３—１７０—３ ＣＦＤ Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ、】ｌｒｉｔｌＩ ＦＬＵＥＮＴ ａｎｄ Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ Ｓｔｕｄｙ ｏｎ ｔｈｅ Ｓｔａｔｉｃ Ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ ｏｆ Ａｅｒｏｓｔａｔｉｃ Ｐｏｒｏｕｓ Ｂｅａｒｉｎｇ ＳＵＮ Ｙａｚｈｏｕ．ＬＵ Ｚｅｓｈｅｎｇ．ＲＡＯ Ｈｅｑｉｎｇ （Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ ｏｆ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｅ ａｎｄ Ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ，Ｈａｒｂｉｎ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｈａｒｂｉｎ １５０００１，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ＣＦＤ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｓｏｆｔｗａｒｅ－－ＦＬＵＥＮＴ ｉｓ ｓｕｃｃｅｓｓｆｕｌｌｙ ｕｓｅｄ ｉｎ ｔｈｅ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｆ ａｅｒｏｓｔａｔｉｃ ｐｏｒｏｕｓ ｂｅａｔｉｎｇ ｆｉｅｌｄ．Ｄｕｒｉｎｇ ｔｈｅ ｕｓｅ ｏｆ ＦＬＵＥＮＴ，ｔｈｅ ｂｏｕｎｄａｒｙ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ．ｓｏｌｖｅｒ ｍｏｄｅｌ。ｓｏｌｕｔｉｏｎ ｃｏｎｔｒｏｌｓ ａｎｄ ｔｈｅ ｑｕａｌｉｔｙ ｏｆ ｍｅｓｈ ａｒｅ ｈａｒｄ ｔｏ ｍａｓｔｅｒ．ＦＬＵＥＮＴ ｗａｓ ｕｓｅｄ ｔｏ ａｎａｌｙｚｅ ｔｈｅ ｔｈｒｅｅ—ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ ｆｌｏｗ ｆｉｅｌｄ ｏｆ ｐｏｒｏｕｓ ａｅｒｏｓｔａｔｉｃ ｊｏｕｒｎａｌ ｂｅａｒｉｎｇ．Ｔｈｅ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｉｍａｇｅ ａｎｄ ｔｈｅ ｌｏａｄｉｎｇ ｃａｐａｃｉｔｙ ｄａｔａ ｏｆ ｔｈｅ ｂｅａｒｉｎｇ ｗｅｒｅ ｏｂｔａｉｎｅｄ。ａｎｄ ｔｈｅ ｓｔａｔｉｃ ｒｉｇｉｄｉｔｙ Ｗａｓ ｃａｌｃｕｌａｔｅｄ．Ｔｈｅ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｒｅｓｕｌｔ ｓｈｏｗｓ ｔｈｅ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｉｓ ｔｉｇｈｔ ａｎｄ ｆｅａｓｉｂｌｅ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：Ｐｏｒｏｕｓ；Ａｅｒｏｓｔａｔｉｃ ｂｅ ；ＦＬＵＥＮＴ ｓｏｆｔｗａｒｅ；Ｓｔａｔｉｃ ｃｈａｒａｃｔｅｔｉｓｔｉｃ ０前言 多孔质静压轴承与其它节流形式的轴承相比，具 有承载能力高、阻尼特性好、制动态不稳定性强等优 点。因此，多孔质静压轴承在高温、腐蚀的环境中， 以及在对承载能力和稳定性要求较高的系统中有广泛 的应用前景。 多孔质材料中，存在着大量的孔隙，且孔隙分布 不规则、不均匀，这使得流体在其中的流动和其边界 条件都十分复杂。此外，由于机械加工和热处理等引 起的材料孔隙的畸变和局部堵塞，更增加了流动的复 杂性…。因此，目前对于多孔质静压轴承的理论分析 多着重于提出多孔质材料的简化流动模型和界面上的 边界条件，并联合修正的雷诺方程，求解方程组 。 而所分析的模型主要是止推轴承，尤其是圆板状的止 推轴承，因为它的结构比较简单。以往针对止推轴承 静特性的研究，多采用解析方法或数值解法，求解过 程繁琐，求解周期长，容易出错。近年来，学者们在 采用有限差分法和有限元法进行研究方面作了大量工 作，但是由于雷诺方程不易解析求解，计算精度受到 一定的影响。本文针对多孔质静压径向轴承采用基于 有限体积法的ＣＦＤ软件——ＦＬｕＥＮＴ进行迭代计算， 可以获得较高的计算效率和计算精度。 １ ＣＦＤ技术及ＦＬＵＥＮＴ软件的应用 ＣＦＤ（Ｃｏｍｐｕｔａｔｉｏｎａｌ Ｆｌｕｉｄ Ｄｙｎａｍｉｃｓ），即计算流体 力学，主要是对包含有流体流动和热传导等相关物理