静压径向气体轴承静态特性数值分析
静压径向气体轴承静态特性数值分析
王新宽1，2，许乔2，张连新2，阳红2
（1.上海交通大学机械系统与振动国家重点实验室，上海200240；2.中国工程物理研究院机械制造工艺研究所，四川绵阳621900）
来稿日期：2018-11-04基金项目：中国工程物理研究院科技计划资助项目（9120602）作者简介：王新宽，（1984-），男，河南南阳人，博士研究生，主要研究方向：精密光学制造技术；许乔，（1972-），男，四川乐山人，博士研究生，研究员，主要研究方向：先进光学制造及检测技术1引言
气体静压轴承具有高精度、低摩擦、清洁无污染等诸多优点，
被广泛应用于精密仪器、超精密机床和高速电主轴中。静压气体轴
承中，轴颈的旋转会引起动压效应，因此，轴颈转动静压轴承的轴承
特性同轴颈不转动的纯静压轴承的轴承特性有很大不同，对静压气
体轴承性能的研究也引起了学者们广泛的兴趣。文献[1]提出了一个
物理模型用于研究轴颈转动气体轴承的静态性质和动态性质，并采
用牛顿法求解雷诺方程。文献[2]研究了混合径向气体轴承转子的动
态稳定性，通过数值方法计算出了轴承的动态刚度和阻尼系数。文
献[3]利用数值方法研究了静压气体轴承的有关特性，结果表明轴颈
在高速旋转时，轴承气膜的动压效应非常明显。文献[4]采用有限元模
型研究复杂的轴承转子系统，利用转子动力学和现代非线性理论研
究了系统的动态响应。文献[5]详细计算了静压气体轴承的动态刚度
系数和动态阻尼系数，并且指出，对于具有小气膜间隙和高供气压力的超精密静压轴承，轴承中的非线性动态特性非常显著。文献[6]深
入研究了混合径向气体轴承的轴颈转速效应，发现在轴颈高速旋转
状态下，轴承的承载能力随偏心率的增大成比例的增大。文献[7]通过
数值方法和实验方法研究了静压气体止推轴承的静态和动态特性，
结果表明简单小孔轴承比复合节流孔轴承具有更大的刚度。文
献[8]提出了一种计算静压气体轴承性能的简便方法，并采用有限
元方法验证了该方法的正确性。文献[9]采用有限差分理论和摄动
法求解雷诺方程，研究了动压气体球面轴承的静态和动态特性。
文献[10]设计了一种新型轴承兼具静压轴承和动压轴承的优点，并
在磨床上了得到了应用。基于有限差分理论和超松弛迭代理论，提
出了一种数值方法求解稳态雷诺方程，得到了静压气体径向轴承的
气膜压力分布，详细研究了轴颈的转速对静压气体轴承的承载、刚
度和质量流量等静态特性的影响。这里的数值求解方法和仿真分
析结果有助于更深入地认识静压气体轴承的转速效应，对设计具
备优良性能的静压气体轴承能起到有益的理论指导作用。摘要：对静压径向气体轴承的静态特性进行了详细的理论研究，采用二阶有限差分方法数值求解无量纲雷诺方程，编
制Matlab迭代程序计算轴承的气膜压力分布。仿真分析了各种轴承结构参数和工作参数下静压气体轴承的承载、刚度和
质量流量等静态性能的变化规律。仿真结果表明轴颈的转速对静压气体轴承的承载、刚度和质量流量等静态特性施加着
重要影响，在分析轴承性能时必须考虑轴颈的旋转效应。当轴颈的转速不断增大时，轴承的气膜压力、承载能力和稳态刚
度等静态性能能够得到显著提升。
关键词：雷诺方程；静压径向气体轴承；转速效应；静态性能
中图分类号：TH16；TH117文献标识码：A文章编号：员园园员-3997（圆园19）05-0014-04
NumericalAnalysisoftheStaticPerformanceofAerostaticJournalBearings
WANGXin-kuan1，2，XUQiao2，ZHANGLian-xin2，YANGHong2
（1.StateKeyLaboratoryofMechanicalSystemandVibration，ShanghaiJiaotongUniversity，Shanghai200240，China；2.InstituteofMachineryManufacturingTechnology，ChinaAcademyofEngineeringPhysics，SichuanMianyang621900，China）
粤遭泽贼则葬糟贼：Thecurrentstudypresentsadetailedtheoreticalanalysisontheperformanceofaerostaticjournalbearings.The
dimensionlessreynoldsequationisderivedanddiscretizedbythefinitedifferencemethod.Aniterativeprocedureisadopted
togettheairfilmpressuredistribution.Thebearingcharacteristicssuchasloadcapacity，stiffnessandairflowrateunder
variousbearingoperatingandgeometricparametersareinvestigated.Thenumericalresultsshowthatthejournalrotationplays
animportantroleonthebearingcharacteristics，andtherotatingspeedsmustbetakenintoconsideration.Withthegrowthof
journalrotationalspeed，thebearingairfilmpressure，loadcapacityandsteadystiffnesscanbeincreasednotably.KeyWords：ReynoldsEquation；AerostaticJournalBearings；RotationEffects；StaticPerformance酝葬糟澡蚤灶藻则赠阅藻泽蚤早灶驭酝葬灶怎枣葬糟贼怎则藻机械设计与制造第5期圆园19年5月142数学建模
静压径向气体轴承的示意图，如图1所示。共包含两排供气
孔，每排六个，供气孔均匀分布在轴承圆周上。为研究静压轴承的
静态性能，须先得到轴承的气膜压力分布。由于气流经过供气小
孔的时间极短，该过程可假设为等温过程，并假设气流在轴承中
为等温层流，忽略气体粘度的变化，则轴承中气膜的压力分布可
通过求解雷诺方程（1）得到，式中h表示气膜的厚度。坠坠xph3坠p坠x蓸蔀+坠坠zph3坠p坠z蓸蔀=6浊u坠（ph）坠x+
6浊w坠（ph）坠x+12浊坠（ph）坠t（1）
供气压力Ps
PaPaZ
LL1供气孔气膜渍
渍x=R渍e
OjOb兹
wh
图1静压气体径向轴承示意图Fig.1SchematicDiagramoftheAirJournalBearing
2.1数值分析
当轴承处于稳态运转，其轴颈偏心率和偏位角应保持相对
恒定，轴承的气膜压力分布也应保持在稳态。在轴承的轴向方向，
由于轴颈和轴承套没有相对运动，其相对速度为0，因此稳态雷
诺方程（1）可简化为方程（2）：坠坠xph3坠p坠x蓸蔀+坠坠zph3坠p坠z蓸蔀=6浊u坠（ph）坠x（2）
引入如下无量纲参数：
p=paP，h=cH，x=R渍，z=LZ，撰=6浊棕R2pac2
可得到无量纲雷诺方程（3）坠坠渍PH3坠P坠渍蓸蔀+R2
L2坠坠ZPH3坠P坠Z蓸蔀=撰坠（PH）坠渍（3）
由于轴承的气膜厚度在数值上远小于轴承的直径，因此可
以忽略轴承的表面曲率，继而可把气膜展开成一个平面，如图2
所示。进行数值求解时，把气膜展开平面沿周向和轴向分别均匀
分割成m个和n个单元，整个平面求解区域共（m+1）伊（n+1）个
节点。
Z（i）大气边界供气孔气腔重合边界n+1
重合边界
（1，1）大气边界m+1X（j
）（i+1，j）（i+1/2，j）
（i，j-1）（i，j-1/2）（i，j+1/2）（i，j）（i-1/2，j）（i-1，j）（i，j+1）
图2气膜展开区域及节点Fig.2TheExpandedComputationalDomainandGridPoints
无量纲雷诺方程（3）等价于方程（4）：坠坠渍H3坠P2坠渍蓸蔀
+R2
L2坠坠ZH3坠P2坠Z蓸蔀
=2撰坠（PH）坠渍（4）方程（4）中的偏微分项在每个计算节点利用二阶中心差分
公式展开，可得到方程（5）：Ai，jP2i，j+1+Bi，jP2i，j-1+Ci，jP2i+1，j+Di，jP2i-1，j-
Ei，jP2i，j=撰驻渍Pi，j+1Hi，j+1-Pi，j-1Hi，j-1蓸蔀（5）其中各系数矩阵分别为：Ai，j=H3i，j+1/2Bi，j=H3i，j-1/2Ci，j=R2
L2（驻渍）2
（驻Z）2H3i+1/2，j
Di，j=R2
L2（驻渍）2
（驻Z）2H3i+1/2，j
Ei，j=Ai，j+Bi，j+Ci，j+Di，j任何一个节点处的无量纲气膜压力Pi，j可表示为：
Pi，j
=Ai，jP2i，j+1+Bi，jP2i，j-1+Ci，jP2i+1，j+Di，jP2i-1，j-
撰驻渍Pi，j+1Hi，j+1-Pi，j-1Hi，j-1蓸蔀
Ei，j（6）
利用超松弛迭代法迭代求解得到Pi，j，迭代终止条件如方程
（7）所示：移移Pk+1i，j-Pki，j移移Pki，j燮10-5（7）
数值求解的边界条件示意在图2中，迭代过程采用雷诺边
界条件，气膜展开区域外部边界节点处的压力为大气压力。2.2承载和刚度
静压径向气体轴承的承载力可通过力平衡条件求解，法向
和切向的无量纲承载分别为：
Wn=-10乙2仔0乙（P-1）cos渍d渍dZ
Wt=-10乙2仔0乙（P-1）sin渍d渍dZ（8）轴承的总承载为：W=W2n+W2t姨（9）静压轴承的稳态刚度可由方程（10）计算K=1c驻W驻着（10）
式中：驻着—
轴颈偏心率的变化量；驻W—相对应的轴承承载的变
化量。
图3数值计算程序流程图Fig.3FlowChartoftheComputationalProcedure第5期王新宽等：静压径向气体轴承静态特性数值分析15
基于Fluent的孔式静压径向气体轴承承载性能分析
！墅 ＱＱＱ＝兰２ ＣＮ４１一ｌ１４８／ＴＨ 轴承２０１１年ｌ１期 Ｂｅａｒｉｎｇ ２０１１，Ｎｏ．１１
基于Ｆｌｕｅｎｔ的孔式静压径向气体轴承承载性能分析
李国芹 ，吕胜宾 ，张鹏程
（１．河北工程技术高等专科学校，河北 沧州０６１００１；２．北京科技大学，北京１０００８３； ３．河北省南运河河务管理处，河北 沧州￣１０１）
摘要：基于Ｆｌｕｅｎｔ软件建立了孔式静压径向气体轴承的三维实体计算模型，并进行了数值模拟，分析了偏心率、 节流孔数和气膜平均厚度对轴承承载力的影响。结果表明：应用Ｆｌｕｅｎｔ数值模拟可以很方便地处理节流ｄ，：ｆＬ 进入到气膜内区域的复杂流场流动，得到不同偏心率下轴承的承载力变化规律，且轴承的承载力随着气膜平均 厚度的增大而减小，随着节流孔数的减少而减小。 关键词：气体轴承；承载力；数值模拟；Ｆｌｕｅｎｔ 中图分类号：ＴＨ１３３．３５ 文献标志码：Ａ 文章编号：１００—３７６２（２０１１）１ｌ一００１７—０５
Ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｎ Ｌｏａｄ Ｃａｐａｃｉｔｙ ｏｆ Ａｅｒｏｓｔａｔｉｃ Ｒａｄｉａｌ Ｂｅａｒｉｎｇｓ ｗｉｔｈ
ｏｒｉｆｉｃｅ Ｂａｓｅｄ ｏｎ Ｆｌｕｅｎｔ
ＬＩ Ｇｕｏ—ｑｉｎ ，ＬＯ Ｓｈｅｎｇ—ｂｉｎ。，ＺＨＡＮＧ Ｐｅｎｇ—ｃｈｅｎｇ
（１．Ｈｅｂｅｉ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ Ｃｏｌｌｅｇｅ，Ｃａｎｇｚｈｏｕ ０６１００１，Ｃｈｉｎａ；２．Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｂｅｉｊｉｎｇ， Ｂｅｉｊｉｎｇ １０００８３，Ｃｈｉｎａ；３．Ｓｏｕｔｈ Ｃａｎａｌ Ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ Ｂｕｒｅａｕ ｏｆ Ｈｅｂｅｉ Ｐｒｏｖｉｎｃｅ，Ｃａｎｇｚｈｏｕ ０６１００１，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ３一Ｄ ｓｏｌｉｄ ｍｏｄｅｌ ｏｆ ａｅｒｏｓｔａｔｉｃ ｒａｄｉａｌ ｂｅａｒｉｎｇ ｗｉｔｈ ｏｒｉｆｉｃｅ ｉｓ ｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄ ｂａｓｅｄ ｏｎ Ｆ１ｕｅｎｔ ｓｏｆｔｗａｒｅ．ｔｈｅ ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｉｓ ｄｏｎｅ，ａｎｄ ｔｈｅ ｅｆｆｅｃｔｓ ｏｆ ｔｈｅ ｅｃｃｅｎｔｒｉｃｉｔｙ，ｏｒｉｆｉｃｅ ｎｕｍｂｅｒ ａｎｄ ｇａｓ ｆｉｌｍ ａｖｅｒａｇｅ ｔｈｉｃｋｎｅｓｓ ｏｎ ｔｈｅ ｌｏａｄ ｃａｐａｃｉｔｙ ｏｆ ｔｈｅ ｂｅａｔｉｎｇ ａｒｅ ａｎａｌｙｚｅｄ．Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｃｏｍｐｌｅｘ ｇａｓ ｆｌｏｗｓ ａｔ ｔｈｅ ａｒｅａ ｏｆ ｏｒｉｆｉｃｅ ｉｎｔｏ ｔｈｅ ｇａｓ ｆｉｌｍ ｅｎｔｒａｎｃｅ ｒｅｇｉｏｎ ｃａｎ ｂｅ ｈａｎｄｌｅｄ ｅａｓｉｌｙ ｂｙ ｔｈｅ Ｆｌｕｅｎｔ ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ，ｔｈｅ ｖａｒｉａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｌｏａｄ ｃａｐａｃｉｔｙ ｏｆ ｂｅａｒ－ ｉｎｇ ｗｉｔｈ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｅｃｃｅｎｔｒｉｃｉｔｙ ａｒｅ ａｎａｌｙｚｅｄ．ａｎｄ ｔｈｅ ｌｏａｄ ｃａｐａｃｉｔｙ ｏｆ ｔｈｅ ｂｅａｒｉｎｇ ｄｅｃｒｅａｓｅ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｉｎｃｒｅａｓｅ ｏｆ ｇａｓ ｆｉｌｍ ａｖｅｒａｇｅ ｔｈｉｃｋｎｅｓｓ ａｎｄ ｔｈｅ ｄｅｃｒｅａｓｅ ｏｆ ｏｒｉｆｉｃｅ ｎｕｍｂｅｒ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ａｉｒ ｂｅａｔｉｎｇ；ｌｏａｄ ｃａｐａｃｉｔｙ；ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ；Ｆｌｕｅｎｔ
单供气孔静压平面止推空气轴承静特性分析
２０１３年３月 第３８卷第３期 润滑与密封 ＬＵＢＲＩＣＡＴＩＯＮ ＥＮＧＩＮＥＥＲＩＮＧ Ｍａｒ．２０１３ Ｖｏｌ＿３８ Ｎｏ．３ ＤＯＩ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．０２５４—０１５０．２０１３．０３．０１８ 单供气孔静压平面止推空气轴承静特性分析 何兵王宏光 （上海理工大学动力工程学院上海２０００９３） 摘要：针对环面节流和喷嘴节流２种类型的静压止推空气轴承，运用ＣＦＤ商用软件进行静特性仿真分析，得到气膜 流场的压力和速度分布；分析轴承的几何参数和供气参数对喷嘴节流轴承静特性的影响。结果表明：喷嘴节流轴承的承载 力和气膜刚度要优于环面节流轴承。对于喷嘴节流型轴承，随着气腔深度和气腔宽度及供气压力和供气孑Ｌ直径的增加，轴 承承载力和气膜刚度均增加，但是气腔深度和供气孔直径的影响相对较小。 关键词：空气轴承；静特性；止推轴承；气膜刚度 中图分类号：ＴＩｔ１３３．３文献标识码：Ａ文章编号：０２５４—０１５０（２ｏ１３）３—０７６—５ Ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｎ Ｓｔａｔｉｃ Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｓ ｏｆ Ａｅｒｏｓｔａｔｉｃ Ｔｈｒｕｓｔ Ｂｅａｒｉｎｇ ｔｈ Ｓｉｎｇｌｅ Ｏｒｉｆｉｃｅ Ｈｅ Ｂｉｎｇ Ｗａｎｇ Ｈｏｎｇｇｕａｎｇ （Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆ Ｐｏｗｅｒ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｓｈａｎｇｈａｉ ｆｏｒ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｓｈａｎｇｈａｉ ２０００９３，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ｓｔａｔｉｃ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｓ ｏｆ ｉｎｈｅｒｅｎｔ ｏｒｉｆｉｃｅ ａｎｄ ｐｏｃｋｅｔｅｄ ｏｒｉｆｉｃｅ ｔｈｒｕｓｔ ｂｅａｔｉｎｇｓ ｗａｓ ａｎａｌｙｚｅｄ ｂｙ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｓｏｆｔｗａｒｅ ｏｆ ＣＦＤ，ａｎｄ ｔｈｅ ｆｌｏｗ ｆｉｅｌｄ ｏｆ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ａｎｄ ｖｅｌｏｃｉｔｙ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ｗａｓ ｏｂｔａｉｎｅｄ．Ｔｈｅ ｅｆｆｅｃｔｓ ｏｆ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｏｆ ｂｅａｔｉｎｇ ａｎｄ ｓｕｐｐｌｙ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｏｎ ｓｔａｔｉｃ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｓ ｏｆ ｐｏｃｋｅｔｅｄ ｏｒｉｆｉｃｅ ｔｈｒｕｓｔ ｂｅａｒｉｎｇｓ ｗｅｒｅ ａｎａｌｙｚｅｄ．Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ，ｃｏｍｐａｒｅｄ ｗｉｔｈ ｉｎｈｅｒｅｎｔ ｏｒｉｆｉｃｅ ｂｅａｒｉｎｇｓ，ｐｏｃｋｅｔｅｄ ｏｒｉｆｉｃｅ ｂｅａｔｉｎｇｓ ｅｘｈｉｂｉｔ ｈｉｇｈ ｌｏａｄ ｃａｐａｃｉｔｙ ａｎｄ ｇａｓ ｆｉｌｍ ｓｔｉｆｆｎｅｓｓ．Ｆｏｒ ｐｏｃｋｅｔｅｄ ｏｒｉｆｉｃｅ ｂｅａｒｉｎｇｓ，ｔｈｅ ｌｏａｄ ｃａｐａｃｉｔｙ ａｎｄ ｇａｓ ｆｉｌｍ ｓｔｉｆｆｎｅｓｓ ａｒｅ ａｌｌ ｉｎｃｒｅａｓｅｄ ｂｙ ｉｎｃｒｅａｓｉｎｇ ｔｈｅ ｄｉａｍｅｔｅｒ ａｎｄ ｄｅｐｔｈ ｏｆ ｔｈｅ ａｉｒ ｃｈａｍｂｅｒ， ａｎｄ ｔｈｅ ｓｕｐｐｌｙ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ａｎｄ ｓｕｐｐｌｙ ｏｒｉｆｉｃｅ ｄｉａｍｅｔｅｒ，ｂｕｔ ｔｈｅ ｄｅｐｔｈ ｏｆ ｔｈｅ ａｉｒ ｃｈａｍｂｅｒ，ｔｈｅ ｓｕｐｐｌｙ ｏｒｉｆｉｃｅ ｄｉａｍｅｔｅｒ ｈａｖｅ ａ ｒｅｌａ— ｔｉｖｅｌｙ ｌｉｔｔｌｅ ｉｍｐａｃｔ ｏｎ ｔｈｅ ｓｔａｔｉｃ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｓ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ａｅｒｏｓｔａｔｉｃ ｔｈｒｕｓｔ ｂｅａｔｉｎｇ；ｓｔａｔｉｃ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ；ｔｈｒｕｓｔ ｂｅａｔｉｎｇ；ｇａｓ ｆｉｌｍ ｓｔｉｆｆｎｅｓｓ 空气轴承由于采用黏性比较低的空气作为润滑介 质，所以与传统轴承相比有很多优点，如低摩擦、高 转速、高精度与稳定性、小温升等，因此空气轴承已 广泛应用于高精密支承、精密加工平台等诸多领域中。 而对于小孔节流型的平面止推空气轴承，又可分为环 面节流和喷嘴节流２种节流孔类型。这２种类型的止 推轴承各有其应用场合和优缺点，因此对其静特性进 行比较，探讨轴承结构参数和供气参数对其静特性的 影响，可指导工程实际应用时合理选用该类轴承。 空气轴承的静特性包括静承载力、气膜刚度和气 体消耗量与轴承的几何参数、供气参数及节流器的类 型等有关。王学敏等 采用ＣＦＤ软件对分析供气孔圆 盘止推气体轴承在超音速流下的性能，研究了超音速 收稿日期：２０１２—１０—２２ 作者简介：何兵（１９８７一），男，硕士研究生，研究方向为流体 润滑，气体轴承．Ｅ—ｍａｉｌ：ｈｅｂｉｎｇｅｖａ＠１６３．ｃｏｍ． 流下气膜内区域的复杂流场流动以及供气孔数、气膜 间隙和供气压力对其性能的影响。李华川等 采用 ＡＮＳＹＳ对有双排节流孔的径向空气静压轴承进行了有 限元分析，通过节流孔内的平均压力计算径向承载力， 从而得到了静刚度。孙昂等人 对平面静压气浮轴承 的超音速流场特性进行了数值仿真，但对超音速流下 进气孔中的流场参数分布，对轴承的性能和影响参数 没有进行数值计算。本文作者采用ＣＦＤ商用软件Ｆｌｕ— ｅｎｔ对２种节流类型的单供气孔静压平面止推空气轴承 气膜间隙内的流场进行数值模拟，得出喷嘴节流轴承 性能优于环面节流轴承，进而分析了喷嘴节流止推轴 承的几何参数和供气参数对其静特性的影响规律 ｊ。 １计算模型 ２种节流类型的圆形平面止推轴承的结构示意 图 如图１所示。
真空预载荷静压气体轴承静态特性研究
２０１３年４月 第３８卷第４期 润滑与密封
ＬＵＢＲＩＣＡＴＩＯＮ ＥＮＧＩＮＥＥＲＩＮＧ Ａｐｒ．２０１３ Ｖｏ１．３８ Ｎｏ．４
ＤＯＩ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．０２５４—０１５０．２０１３．０４．００２
真空预载荷静压气体轴承静态特性研究
陈争 杜建军
（１．中国空空导弹研究院河南洛阳４７１００９；２．哈尔滨工业大学深圳
研究生院，深圳市数字化制造技术重点实验室广东深圳５１８０５５）
摘要：根据真空预载荷原理，运用ＭＡＴＬＡＢ软件对建立的小孔节流真空预载荷静压气体轴承仿真模型进行编程分 析，通过仿真计算，分析轴承气膜压力分布情况及真空腔面积比、节流孔径、节流孔个数、供气压力等因素对轴承稳态 特性的影响。结果表明：真空腔面积比值在（１／６，１／３）之间选取较佳，在轴承结构尺寸确定的情况下调整节流孔径、 节流孔个数以及供气压力，能够得到较好的稳态特性，采用真空预载荷可以提高轴承的刚度。搭建实验平台对加工的样 品进行承载能力实验，实验测量值和理论值具有较好的一致性，验证了真空预载荷可行性。 关键词：静压气体轴承；真空预载荷；承载能力；刚度 中图分类号：ＴＨ１３３．２文献标识码：Ａ文章编号：０２５４—０１５０（２０１３）４—００７—５
Ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｎ Ｓｔｅａｄｙ Ｓｔａｔｅ Ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ ｏｆ Ｖａｃｕｕｍ
Ｐｒｅ．１ｏａｄ Ａｅｒｏｓｔａｔｉｃ Ｂｅａｒｉｎｇ
Ｃｈｅｎ Ｚｈｅｎｇ Ｄｕ Ｊｉａｎｊｕｎ
（１．Ｃｈｉｎａ Ａｉｒｂｏｒｎｅ Ｍｉｓｓｉｌｅ Ａｃａｄｅｍｙ，Ｌｕｏｙａｎｇ Ｈｅｎａｎ ４７１００９；２．Ｓｈｅｎｚｈｅｎ Ｇｒａｄｕａｔｅ Ｓｃｈｏｏｌ，Ｈａｒｂｉｎ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ
ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｋｅｙ Ｌａｂ ｏｆ Ｓｈｅｎｚｈｅｎ Ｄｉｇｉｔａｌ Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ，Ｓｈｅｎｚｈｅｎ Ｇｕａｎｇｄｏｎｇ ５ １ ８０５５，Ｃｈｉｎａ）
基于FLUENT的气体静压轴承数值仿真与实验研究
基于FLUENT的气体静压轴承数值仿真与实验研究
吴定柱;陶继忠
【摘 要】应用基于有限体积法的计算流体动力学软件FLUENT进行数值模拟,对影响气体静压止推轴承静态性能的相关因素进行了分析研究,并给出了相应的变化曲线.在自行研制的实验平台上进行气体静压实验,实验与数值模拟计算的结果取得了较好的一致性,证明了将该方法应用在气体润滑领域的可行性,也为进一步改进小孔节流气体静压止推轴承的设计和改善、提高其性能提供了理论依据.
【期刊名称】《机械设计与制造》
【年(卷),期】2010(000)005
【总页数】2页(P150-151)
【关键词】空气静压轴承;有限体积法;静态特性
【作 者】吴定柱;陶继忠
【作者单位】中国工程物理研究院,机械制造工艺研究所,绵阳,621900;中国工程物理研究院,机械制造工艺研究所,绵阳,621900
【正文语种】中 文
【中图分类】TH117.2
1 引言
气体静压轴承采用气体作为润滑介质，在轴承的活动面与静止面之间构成气膜，产生承载力，使二者避免接触，具有精度高、无磨损和寿命长的优点。基于气体静压轴承的以上优点，其在精密工程、超精密工程、微细工程、空间技术、电子精密仪器、医疗器械及核子工程等领域中，有着十分广阔的应用[1][2]。
本文应用基于有限体积法的计算流体动力学软件FLUENT，对气体静压圆盘止推轴承内部流体的流动进行数值计算，给出了轴承的结构尺寸、供气压力等因素对气体静压轴承承载力和静态刚度的影响关系。在自行研制的实验台上进行气体静压止推轴承实验，由此得到轴承的静态性能。实验结果和理论计算之间的吻合良好，从而说明数值模拟的可行性。
2 数学模型的建立
气体静压止推轴承结构，如图1 所示。
图1 小孔节流圆盘止推气体静压轴承
当供气源气体压力为Ps时，气体经过节流孔后产生压降，在节流小孔与气膜间隙过度处压力降至Pd，然后沿着气膜间隙向外流动，在出口处压力为环境压力Pa。由于空气静压止推轴承的两润滑面通常都是金属，轴承工作过程中产生的热量绝大部分随气体排出或由金属传递出去，故气体润滑过程可看成等温过程[4]。在流速不大时，润滑过程也可看成定常流。得到等温条件下柱面坐标系中空气静压止推轴承雷诺方程为：
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 SURFACE
THROTTLING 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: TH133.36
U.D.C.: 621.8
Dissertation for the Master Degree in Engineering
STATIC CHARACTERISTICS AND
EXPERIMENTAL STUDY OF SURFACE
THROTTLING THRUST BEARING
Candidate： Xu Fuxin
Supervisor： Associate Prof. Liu Haitao
Academic Degree Applied for： Master of Engineering
Specialty： Mechanical Engineering
Affiliation： School of Mechatronics Engineering
Date of Defence： June, 2018
Degree-Conferring-Institution： Harbin Institute of Technology 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文
-I- 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
可倾瓦径向气体轴承的静动特性的理论研究
２００６年５月 第５期（总第１７７期） 润滑与密封
ＬＵＢＲＩＣＡＴＩＯＮ ＥＮＧＩＮＥＥＲＩＮＧ Ｍａｙ ２００６ Ｎｏ．５（ｓｅｒｉａｌ Ｎｏ．１７７）
可倾瓦径向气体轴承的静动特性的理论研究
王林忠侯予陈纯正
（西安交通大学制冷及低温研究所 陕西西安７１００４９）
摘要：运用小扰动法和线性ＰＨ的思想，采用有限差分亚松弛的数值方法求解了可倾瓦径向动压气体轴承单块瓦的 静、动特性方程。通过比较，得出一系列静特性参数和ｌ６个动特性参数，并讨论了影响静、动特性参数变化的因素。 计算数据表明，轴承数和轴颈偏心率对轴承静态和动态特性的影响较大，并且瓦片参数取值推荐为Ｌ／Ｄ＝１．０，ａ ＝ ０，６５ 关键词：町倾瓦；气体轴承；静动特性 中图分类号：ＴＨＩ３３．３文献标识码：Ａ文章编号：０２５４—０１５０（２００６）５—０８４—４
Ｓｔａｔｉｃ ａｎｄ Ｄｙｎａｍｉｃ Ｓｔｕｄｙ Ｏｎ ｔｈｅ Ｔｈｒｅｅ－ｔｉｌｔｉｎｇ－ｐａｄ Ｇａｓ Ｂｅａｒｉｎｇ
Ｗａｎｇ Ｌｉｎｚｈｏｎｇ ＨＯｕ Ｙｕ Ｃｈｅｎ Ｃｈｕｎｚｈｅｎｇ
（Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｃｒｙｏｇｅｎｉｃ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｘｉ’ａｎ Ｊｉａｏｔｏｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｘｉ’ａｎ Ｓｈａａｎｘｉ ７１００４９，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｓｍａｌｌ ｐｅｒｔｕｒｂａｔｉｏｎ ａｎｄ ｌｉｎｅａｒｉｚｉｎｇ ＰＨ ｍｅｔｈｏｄｓ．ｔｈｅ ｅｑｕａｔｉｏｎｓ ｏｆ ｔｈｅ ｓｔａｔｉｃ ａｎｄ ｄｙｎａｍｉｃ ｃｈａｒａｃ． ｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ ｔｈｒｅｅ．ｐａｄ．ｔｉｌｔｉｎｇ ｂｅａｒｉｎｇ ｗｅｒｅ ｄｅｄｕｃｅｄ．ａｎｄ ｔｈｅ ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ｒｅｓｕｌｔｓ ｗｅｒｅ ｏｂｔａｉｎｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｓｕｂ．ｒｅｌａｘｉｎｇ ｆｉｎｉｔｅ ｄｉｆｉｅｒ－
ｅｎｃｅ ｍｅｔｈｏｄ．Ｔｈｒｏｕｇｈ ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ，ｔｈｅ ｓｔａｔｉｃ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ａｎｄ ｓｉｘｔｅｅｎ ｄｙｎａｍｉｃ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｗｅｒｅ ｏｂｔａｉｎｅｄ．Ｔｈｅ
空气静压立式主轴静态性能分析
２０１０年８月 第３５卷第８期 润滑与密封 ＬＵＢＲＩＣＡＴＩＯＮ ＥＮＧＩＮＥＥＲＩＮＧ Ａｕｇ．２０１０ Ｖｏ１．３５ Ｎｏ．８
ＤＯＩ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．０２５４—０１５０．２０１０．０８．０１３
空气静压立式主轴静态性能分析
夏欢陶继忠吴定柱
（中国工程物理研究院机械制造工艺研究所 四川绵阳６２１９００）
摘要：介绍空气静压主轴静态性能仿真分析原理，构建静态性能的测试平台，测量立式空气静压径推联合轴承的 静态性能，并分析测量过程中的误差影响。实验结果与数值仿真结果基本一致，表明数值仿真的计算结果比较理想而且 稳定，证明将该方法应用在空气静压主轴静态性能预测的可行性。 关键词：空气静压主轴；径推联合轴承；数值仿真；静态性能 中图分类号：ＴＨ１１７．２文献标识码：Ａ文章编号：０２５４—０１５０（２０１０）８—０４７—４
Ａ Ｎｕｍｅｒｉｃａｌ Ａｎａｌｙｓｉｓ ０ｆ Ａｉｒ Ｌｕｂｒｉｃａｔｅｄ Ｓｐｈｅｒｉｃａｌ
Ｂｅａｒｉｎｇ Ｂａｓｅｄ ｏｎ ＭＡＴＬＡＢ ＰＤＥ
Ｘｉａ Ｈｕａｎ Ｔａｏ Ｊｉｚｈｏｎｇ Ｗｕ Ｄｉｎｇｚｈｕ
（Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｃｈｉｎａ Ａｃａｄｅｍｙ ｏｆ
Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｐｈｙｓｉｃｓ，Ｍｉａｎｙａｎｇ Ｓｉｃｈｕａｎ ６２ １ ９００，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ ｏｆ ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ａｂｏｕｔ ｔｈｅ ｓｔａｔｉｃ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｏｆ ａｅｒｏｓｔａｔｉｃ ｓｐｉｎｄｌｅ ｗａｓ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ，ａｎｄ
ａ ｍｅａｓｕｒｉｎｇ ｐｌａｔｆｏｒｍ ｗａｓ ｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄ ｔｏ ｔｅｓｔ ｔｈｅ ｓｔａｔｉｃ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ．Ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｐｌａｔｆｏｒｍ，ｔｈｅ ｓｔａｔｉｃ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｏｆ ｔｈｅ
超精密机床径推一体式空气静压轴承的静态特性
第２Ｏ卷第３期 ２０１２年３月 光学精密工程 Ｏｐｔｉｃｓ ａｎｄ Ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｖｏ１．２Ｏ Ｎｏ．３ Ｍａｒ．２Ｏ１２
文章编号１００４—９２４Ｘ（２０１２）０３—０６０７—０９
超精密机床径推一体式空气静压轴承的静态特性
张飞虎，付鹏强 ，汪圣飞，张 强
（哈尔滨工业大学机电工程学院，黑龙江哈尔滨１５０００１）
摘要：提出了一种新的径推一体式静压主轴支撑方式来优化机床主轴系统性能，以满足超精密飞切机床对气体静压轴承 高刚度的要求。采用计算流体力学和有限体积法对气体静压轴承气膜内部的流场与压力场进行仿真，并研究其静态特 性。为提高计算精度，完成了轴承宏观尺寸与气膜厚度相差几个数量级时气膜厚度方向２ ｍ间距的网格划分。仿真结 果表明，在偏心状态下由于气膜压力的变化使节流孔气体流速在ｌ～２００ ｍ／ｓ内变化，机床所采用径推一体式轴承静态 刚度达到３ ５０８ Ｎ／ｔ￣ｍ。研究表明，通过增大轴承的供气压强和减小节流孔的直径可改善轴承的静态性能进而提升机床 性能。 关键词：空气静压轴承；径推一体轴承；承栽力；轴承刚度；超精密机床；计算流体力学 中国分类号：ＴＨ１３３．３；ＴＧ５０２．３１ 文献标识码：Ａ ｄｏｉ：１０．３７８８／ＯＰＥ．２０１２２００３．０６０７
Ｓｔａｔｉｃ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ ｒａｄｉａｌ－－ｔｈｒｕｓｔ ａｅｒｏｓｔａｔｉｃ ｂｅａｒｉｎｇ ｏｎ
ｕｌｔｒａ－ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ ｍａｃｈｉｎｅ ｔｏｏｌ
ＺＨＡＮＧ Ｆｅｉ—ｈｕ，ＦＵ Ｐｅｎｇ—ｑｉａｎｇ ，ＷＡＮＧ Ｓｈｅｎｇ—ｆｅｉ，ＺＨＡＮＧ Ｑｉａｎｇ
（Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｍｅｃｈａｔｒｏｎｉｃｓ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｈａｒｂｉｎ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｈａｒｂｉｎ １５０００１，Ｃｈｉｎａ）
＊Ｃ０ｒｒＰｓｐ０ ７２ｇ ａｕｔｈｏｒ，Ｅ－ｍａｉｌ：ｐｑｆｕｌｎ＠ｈｉｔ．ｅｄｕ．ｃｎ
气体静压止推轴承静态性能的数值仿真与实验研究
２０１０年３月 第３５卷第３期 润滑与密封
ＬＵＢＲＩＣＡＴＩＯＮ ＥＮＧＩＮＥＥＲＩＮＧ Ｍａｔ．２０１Ｏ
Ｖ０Ｉ＿３５ Ｎｏ．３
ＤＯＩ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．０２５４—０１５０．２０１０．０３．０１２
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 （中国工程物理研究院机械制造工艺研究所 四川绵阳６２１９００）
摘要：应用Ｆｌｕｅｎｔ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 作面积、气源供气压力等因素对气体静压轴承性能的影响。结果表明：止推轴承的承载能力随着节流孔直径的增大而增 大，在气膜问隙较小时，刚度随着节流孔孔径增大而减小，在气膜间隙较大时，刚度随着节流孔孔径的增大而增大；在 保证加工精度的前提下，增大节流器工作面尺寸，以及在保证气源供气连续的前提下，增大气腔供气压力，都可以显著 地改善止推轴承的静态性能。在自行研制的实验平台上进行气体静压实验，实验结果与数值模拟计算结果具有较好一 性，证明了将该数值计算方法的可行性。 关键词：空气静压轴承；有限体积法；静态特性 中图分类号：ＴＨＩ１７．２文献标识码：Ａ文章编号：０２５４—０１５０（２０１０）３—０５３—４
Ｎｕｍｅｒｉｃａｌ Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ａｎｄ Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ Ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｎ Ｓｔａｔｉｃ
Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｏｆ Ａｅｒｏｓｔａｔｉｃ Ｔｈｒｕｓｔ Ｂｅａｒｉｎｇｓ
ＷＵ Ｄｉｎｇｚｈｕ Ｔａｏ Ｊｉｚｈｏｎｇ
（Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｃｈｉｎａ Ａｃａｄｅｍｙ ｏｆ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｐｈｙｓｉｃｓ，Ｍｉａｎｙａｎｇ Ｓｉｅｈｕａｎ ６２１９００，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｔｈｒｅｅ—ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ ｆｌｏｗ ｆｉｅｌｄ ｏｆ ａｅｒｏｓｔａｔｉｃ ｔｈｒｕｓｔ ｂｅａｒｉｎｇ ｗｉｔｈ ｏｒｉｆｉｃｅ ｒｅｓｔｒｉｃｔｏｒ
基于静特性分析的环面节流静压气体球轴承参数设计
基于静特性分析的环面节流静压气体球轴承参数设计
郭良斌;彭宝林;王卓;宣立明
【摘 要】环面节流多孔闭式球轴承具有整体球窝面,是静压气体球轴承的一种新结构形式.按照优先考虑静刚度指标以及兼顾流量、承载力指标的设计原则,采用保角变换有限元法研究闭式气体球轴承几何参数设计的基本过程,并详细讨论了球窝外包角、供气孔包角、供气孔数和供气孔直径对轴承静特性的影响.结果表明,对轴承承载力特性影响较大的参数是球窝外包角和供气孔数,对流量特性影响较大的参数是供气孔数和供气孔直径,对轴承静刚度特性影响较大的参数是球窝外包角、供气孔包角和供气孔直径.通过分析,给出了闭式气体球轴承几何参数的推荐取值范围.%Externally pressurized spherical gas bearing with inherent
compensation has integrated spherical socket and thus is a new type.
According to the design criteria of priority stiffness and taking flux and
load into consideration, the design of configuration parameters of
externally pressurized spherical gas bearing with several inherent
compensation orifices was studied by means of conformal transformation
FEM. Influences of outer wrap angles, wrap angle at orifice, orifice number
and orifice diameter on the bearing's static characteristics were discussed.