單狹縫節(jié)流徑向靜壓氣體軸承的靜態(tài)特性研究

， ， ， ， ， (.中原工學(xué)院 機(jī)電學(xué)院， 河南 鄭州 450007； .大連海事大學(xué) 交通運(yùn)輸裝備與海洋工程學(xué)院， 遼寧 大連 606)

引言

隨著航空航天技術(shù)、微電子技術(shù)等現(xiàn)代化工業(yè)的飛速發(fā)展，工業(yè)制造對(duì)制造設(shè)備和測(cè)量?jī)x器的精度要求也越來越高，因此發(fā)展超精密制造和測(cè)試技術(shù)成為我國(guó)高新技術(shù)發(fā)展領(lǐng)域的一個(gè)重要組成部分。氣體靜壓軸承由于其低摩擦、高精度、潔凈無污染和壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，在超精密制造中具有突出的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)[1-5]。

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[6]，對(duì)于小孔節(jié)流，由于氣腔的存在，承載力和剛度得到有效地提高，然而氣腔容易導(dǎo)致“氣錘”現(xiàn)象的發(fā)生，軸承穩(wěn)定性相對(duì)較差[7]。多孔質(zhì)節(jié)流具有較高承載和阻尼，然而對(duì)材料的特性要求較高，同時(shí)對(duì)氣源的潔凈度要求也較高[8]。環(huán)面節(jié)流穩(wěn)定性較好，但是承載力低，剛度小。與小孔節(jié)流氣體靜壓軸承相比，在相同尺寸時(shí)，狹縫節(jié)流氣體靜壓軸承的供氣點(diǎn)是連續(xù)分布的，減小了擴(kuò)散效應(yīng)和環(huán)向流動(dòng)對(duì)軸承特性的不利影響，因此具有較高的承載、剛度及阻尼且穩(wěn)定性好[9-11]。在傳統(tǒng)研究與應(yīng)用中，由于狹縫節(jié)流的微米級(jí)狹縫加工難度較高，因此研究相對(duì)較少。當(dāng)前，隨著加工技術(shù)的提高，狹縫加工問題基本得到解決，本研究針對(duì)狹縫節(jié)流徑向靜壓氣體軸承靜態(tài)特性，采用Fluent軟件進(jìn)行建模計(jì)算，研究軸承長(zhǎng)徑比、節(jié)流狹縫寬度、節(jié)流狹縫深度、氣膜厚度等對(duì)軸承靜態(tài)特性的影響規(guī)律。

1 單狹縫節(jié)流徑向靜壓氣體軸承結(jié)構(gòu)

圖1所示為單狹縫節(jié)流徑向靜壓氣體軸承的結(jié)構(gòu)示意圖，L表示氣體軸承的長(zhǎng)度，D表示軸承的直徑，H表示氣體軸承狹縫的寬度，y表示氣體軸承狹縫的深度，e表示轉(zhuǎn)子的偏心距，ps表示軸承狹縫供氣壓力，pa表示軸承工作環(huán)境壓力。

圖1 狹縫節(jié)流徑向軸承結(jié)構(gòu)示意圖

2 模型簡(jiǎn)化及邊界條件設(shè)置

2.1 模型簡(jiǎn)化

壓縮氣體經(jīng)過狹縫的節(jié)流作用，進(jìn)入軸承工作間隙，速度降低，壓力升高，形成具有一定壓力和厚度的氣膜，用以支撐轉(zhuǎn)子。根據(jù)CFD流場(chǎng)建模規(guī)則，只考慮流道的影響，采用Gambit建立簡(jiǎn)化后的軸承流體模型，如圖2所示。

2.2 邊界條件設(shè)置

氣體在軸承間隙流動(dòng)時(shí)，氣體的流速相對(duì)較快，熱量短時(shí)間內(nèi)來不及傳遞，認(rèn)為氣流與周圍無熱量交換，因此可將整個(gè)流動(dòng)過程看作是絕熱的[12]。

圖2 軸承流體模型

同時(shí)，在Fluent仿真模擬過程中，為了簡(jiǎn)化計(jì)算，計(jì)算常引入以下假設(shè)：

(1) 氣體為理想氣體，潤(rùn)滑氣體為牛頓流體；

(2) 氣體在軸承間隙之間的流動(dòng)為層流；

(3) 忽略體積力的作用；

(4) 氣體的慣性力與粘性力相比可忽略不計(jì)；

(5) 壁面是絕對(duì)光滑的，不考慮壁面粗糙度的影響。

Fluent求解器邊界條件的設(shè)置，進(jìn)氣口壓力恒定ps為0.5 MPa，供氣環(huán)境溫度T為300 K，軸承出口處壓力等于工作環(huán)境壓力pa。邊界條件設(shè)置完以后，利用Fluent求解器對(duì)模型方程進(jìn)行離散、迭代求解。

3 Fluent仿真結(jié)果及分析

在Fluent軟件對(duì)模型進(jìn)行計(jì)算的過程中，方程迭代精度可達(dá)到10-7以上，迭代殘差圖如圖3所示。本研究中軸承的靜態(tài)特性主要是對(duì)比軸承的承載力、剛度、耗氣量等參數(shù)。

圖3 方程迭代殘差線圖

3.1 長(zhǎng)徑比對(duì)軸承特性的影響分析

結(jié)合狹縫的加工難度，取軸承節(jié)流狹縫寬度H為10 μm，狹縫深度y為20 mm，軸承偏心率ε為0.6，軸承直徑D為100 mm，研究軸承長(zhǎng)徑比L/D對(duì)軸承特性的影響，軸承長(zhǎng)徑比L/D分別取0.25、0.5、0.6、0.8、1、1.6、2。

狹縫節(jié)流軸承長(zhǎng)徑比對(duì)軸承靜態(tài)特性的影響關(guān)系曲線如圖4所示。圖4a中，軸承承載力隨著長(zhǎng)徑比的增大先增大后減小，軸承長(zhǎng)徑比在1.6時(shí)最大。圖4b中，當(dāng)長(zhǎng)徑比L/D<1.4時(shí)，軸承剛度隨長(zhǎng)徑比的增大而增大；軸承剛度在長(zhǎng)徑比為1.4～1.6時(shí)取得最大值；當(dāng)長(zhǎng)徑比L/D>1.6時(shí)，軸承剛度隨長(zhǎng)徑比的增大急速下降。圖4c中，軸承的耗氣量隨著軸承長(zhǎng)徑比的增大而減小，其原因是隨著軸承長(zhǎng)徑比的增大，流動(dòng)阻力增大。

圖4 長(zhǎng)徑比對(duì)軸承靜態(tài)特性的影響

3.2 狹縫寬度對(duì)軸承靜態(tài)特性的影響

根據(jù)長(zhǎng)徑比的影響規(guī)律分析，取軸承的長(zhǎng)徑比為1.6，狹縫深度y為20 mm，軸承偏心率ε為0.6，軸承直徑D為100 mm，研究狹縫寬度H對(duì)軸承靜態(tài)特性的影響，節(jié)流狹縫寬度H分別取4、6、8、10、12、14、16、18 μm。

狹縫寬度對(duì)軸承靜態(tài)特性的影響關(guān)系曲線如圖5所示。圖5a中，當(dāng)H=4～8 μm時(shí)軸承承載力隨狹縫寬度的增大而增大，當(dāng)H>8 μm時(shí)，軸承承載力隨狹縫寬度的增大而減小。圖5b中，軸承剛度隨狹縫寬度的增大而減小，在H=5 μm處取得最大值206 N/μm。圖5c中，軸承耗氣量隨狹縫寬度的增大而增大。

圖5 狹縫寬度對(duì)軸承特性的影響

3.3 節(jié)流狹縫深度對(duì)軸承靜態(tài)特性的影響

取軸承的節(jié)流狹縫寬度H大小為10 μm，長(zhǎng)徑比L/D為1.6，軸承偏心率ε為0.6，軸承直徑D為100 mm，研究狹縫深度y對(duì)軸承靜態(tài)特性的影響，狹縫深度y依次取5、10、20、30、50、60、70、80、90 mm。

狹縫深度對(duì)軸承靜態(tài)特性的影響關(guān)系曲線如圖6所示。圖6a、圖6b中，在y=5～20 mm時(shí)，軸承承載力及剛度隨狹縫深度的增大而增大；在y=20～100 mm時(shí)，軸承承載力及剛度隨狹縫深度的增大變化相對(duì)較小。圖6c中，軸承耗氣量隨狹縫深度的增大而減小。

圖6 狹縫深度對(duì)軸承特性的影響

3.4 氣膜厚度對(duì)軸承靜態(tài)特性的影響

取軸承的長(zhǎng)徑比L/D為1.6，狹縫寬度H為10 μm，狹縫深度y為20 mm，軸承直徑D為100 mm，軸承偏心率ε為0.6，研究氣膜厚度h對(duì)軸承靜態(tài)特性的影響，氣膜厚度h取8、10、12、14、16、18、20、24 μm。

氣膜厚度對(duì)軸承靜態(tài)特性的影響關(guān)系曲線如圖7所示。圖7a中，軸承承載力隨氣膜厚度的增大先增大后減小，并在h=10 μm時(shí)取得最大值。圖7b中，在h=8～12 μm時(shí)軸承剛度隨氣膜厚度的增大而增大，在h=12～24 μm時(shí)軸承剛度隨氣膜厚度的增大而減小，并趨于零。圖7c中，軸承耗氣量隨氣膜厚度的增大而增大。

3.5 偏心率對(duì)軸承靜態(tài)特性的影響

取軸承的長(zhǎng)徑比L/D為1.6，節(jié)流狹縫寬度H為10 μm，軸承直徑D為100 mm，狹縫深度y為20 mm，氣膜厚度h為10 μm，研究偏心率ε對(duì)軸承靜態(tài)特性的影響， 軸承的偏心率ε分別為0、0.1、0.2、0.3、0.4、0.5、0.6、0.7、0.8、0.9。

圖7 氣膜厚度對(duì)軸承靜態(tài)特性的影響

偏心率對(duì)軸承靜態(tài)特性的影響關(guān)系曲線如圖8所示。圖8a中，偏心率為零時(shí)，軸承承載力為零，軸承承載力隨氣膜偏心率的增大而增大。圖8b中，偏心率為零時(shí)，軸承剛度為零；在0.1～0.4范圍內(nèi)，剛度取得最大值；大于0.4時(shí)軸承剛度隨偏心率的增大而減小。圖8c中，軸承耗氣量隨偏心量的增大而減小。

4 結(jié)論

通過對(duì)單狹縫節(jié)流徑向靜壓氣體軸承靜態(tài)特性的建模計(jì)算，得出以下結(jié)論：

(1) 在軸承其他參數(shù)確定的情況下，當(dāng)軸承長(zhǎng)徑比取1.6時(shí)，軸承具有最大的承載力和剛度；

(2) 當(dāng)狹縫寬度大于 8 μm時(shí)，狹縫寬度越大，軸承的承載、剛度越小，而耗氣量增大；綜合考慮狹縫加工的難易程度等因素，狹縫寬度H建議取10 μm；

(3) 節(jié)流狹縫深度越大，軸承靜態(tài)特性越佳，但綜合考慮制造難度，狹縫深度h在20 mm時(shí)最佳；

圖8 偏心率對(duì)軸承靜態(tài)特性的影響

(4) 氣膜厚度存在最佳承載和剛度狀態(tài)值；

(5) 偏心率在0.1～0.4時(shí)，軸承的剛度取得最大值；承載隨偏心率的增大而增大，耗氣量則相反。

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