微孔節(jié)流氣體靜壓止推軸承的靜態(tài)特性研究

張素香， 王仁宗， 王廣洲

(中原工學院 機電學院， 河南 鄭州 450007)

節(jié)流器是氣體靜壓軸承的關鍵部分，按節(jié)流機理可分為小孔節(jié)流器、環(huán)面節(jié)流器、狹縫節(jié)流器、多孔質節(jié)流器等類型。節(jié)流器不同的結構特征使氣體靜壓軸承具有不同的動靜態(tài)特性和應用場合[1-4]。其中，小孔節(jié)流器具有較高的承載力和剛度，但氣腔的存在使軸承的穩(wěn)定性較差；環(huán)面節(jié)流器具有較好的穩(wěn)定性，但承載力和剛度較低[5-7]；狹縫節(jié)流器為線性供氣方式，供氣點分布比較均勻，軸承具有較高的承載力和剛度，但狹縫加工難度大，且加工質量難以保證。為了使氣體靜壓止推軸承具有更好的工作性能，需進一步研究節(jié)流器的結構參數(shù)對軸承的動靜態(tài)特性的影響。

程志勇等采用Matlab軟件分析了氣膜厚度、供氣孔直徑以及節(jié)流孔個數(shù)對小孔節(jié)流靜壓氣體軸承的壓力分布和承載力的影響[8]；徐剛等研究了氣膜間隙、節(jié)流孔直徑等對中心孔圓盤空氣靜壓止推軸承的承載特性的影響，探討了軸承設計參數(shù)間的耦合關系[9]；鄒麒等對簡單孔陣列式節(jié)流空氣靜壓軸承在不同孔徑、不同孔數(shù)情況下的氣膜壓力分布和氣膜剛度等軸承性能進行了仿真分析[10]；ZHANG等利用分離變量法研究了氣體靜壓止推軸承的氣膜壓力下降量與節(jié)流孔直徑、膜厚等參數(shù)的關系[11]；于賀春等從狹縫類型、狹縫數(shù)量、狹縫的結構參數(shù)等方面對狹縫節(jié)流氣體徑向軸承的靜態(tài)特性進行了研究[12-13]；LI等研究了小孔節(jié)流氣體靜壓止推軸承的結構參數(shù)對軸承性能的影響，并提出了該類軸承的設計與優(yōu)化方法[14]。于賀春等提出了一種微孔節(jié)流氣體靜壓止推軸承，并基于仿真軟件，通過改變氣膜厚度、節(jié)流孔(縫)深度、節(jié)流面積等，對比研究了狹縫節(jié)流和微孔節(jié)流靜壓止推軸承的承載力及剛度，研究結果表明微孔節(jié)流氣體靜壓止推軸承與狹縫節(jié)流靜壓氣體止推軸承有相似的靜態(tài)特性[15]。

在文獻[15]的研究基礎上，本文對微孔節(jié)流氣體靜壓止推軸承(節(jié)流孔直徑小于等于0.1 mm)與小孔節(jié)流、環(huán)面節(jié)流氣體靜壓止推軸承進行計算對比分析，研究氣膜厚度、節(jié)流器結構參數(shù)與軸承承載力及剛度的關系。

1 微孔節(jié)流氣體靜壓止推軸承的結構

圖1所示為孔式節(jié)流器結構圖。圖中d為節(jié)流孔直徑，d1為氣腔直徑，H為節(jié)流孔深度，h為氣膜厚度，h1為氣腔深度，P0為供氣壓力，Pd為出氣孔壓力。外界環(huán)境壓力為Pa。根據(jù)文獻[4-5]可知，小孔直徑常用值為0.3～0.4 mm，環(huán)面孔直徑常用值為0.4～0.8 mm。判定節(jié)流器為小孔節(jié)流器或環(huán)面節(jié)流器的條件為：當πd1h> πd2/4時，為環(huán)面節(jié)流器;反之，則為小孔節(jié)流器。

微孔節(jié)流器的結構形式類似于環(huán)面節(jié)流器，出氣孔處不設置氣腔，節(jié)流孔直徑小于等于0.1 mm，節(jié)流孔個數(shù)遠多于平時所用的小孔節(jié)流器和環(huán)面節(jié)流器的節(jié)流孔個數(shù)，其供氣方式接近狹縫節(jié)流器的線源供氣方式。

(a) 小孔節(jié)流器

(b) 環(huán)面節(jié)流器

(c) 微孔節(jié)流器圖1 孔式節(jié)流器結構

為了進一步研究孔式節(jié)流器的結構參數(shù)對軸承靜態(tài)特性的影響，本文選取了3種節(jié)流方式的靜壓止推軸承的結構參數(shù)，如表1所示。

表1 3種節(jié)流方式的靜壓止推軸承的結構參數(shù)

2 CFX仿真計算

CFX軟件采用基于有限元的有限體積法，在保證有限體積法守恒特性的基礎上，吸收了有限元法的數(shù)值準確性。該軟件的前處理器-ICEM CFD具有優(yōu)質的網格處理技術，對于幾何形狀簡單的仿真模型，可進行模塊化網格劃分和處理，具有更高效的計算速度。

2.1 模型建立

外部加壓氣體經過節(jié)流器的節(jié)流作用，進入軸承間隙，形成具有一定承載力和剛度的氣膜[15]。根據(jù)軸承流場特點，把節(jié)流器和軸承間隙等作為研究對象，采用Solidworks三維建模軟件建立3種氣體靜壓止推軸承的物理模型。微孔節(jié)流氣體靜壓止推軸承的三維計算模型如圖2所示，小孔節(jié)流、環(huán)面節(jié)流氣體靜壓止推軸承的模型不再具體給出。

圖2 微孔節(jié)流氣體靜壓止推軸承的三維計算模型

2.2 網格劃分及求解設置

3種節(jié)流器均為圓柱形，結構簡單，可以采用ICEM CFD軟件劃分網格。將整個軸承物理模型分成節(jié)流器部分和氣膜部分，并分別對兩部分劃分網格，這樣不僅可以提高網格劃分精度，同時也便于后面的模塊化計算。圖3(a)所示為微孔節(jié)流器網格，圖3(b)所示為氣膜網格。

(a) 微孔節(jié)流器網格

(b) 氣膜網格圖3 微孔節(jié)流氣體靜壓止推軸承網格

將節(jié)流器及氣膜的網格加載到CFX求解器中，建立兩部分網格的連接面，選擇層流模式，設置氣體為理想氣體，設置邊界條件及其他仿真參數(shù)。在CFX求解器中對設置好的模型進行迭代求解，求解完成后，在CFX后處理器中對結果進行分析。

3 仿真結果分析

利用CFX軟件得到氣膜厚度為h時的承載力，再根據(jù)公式(1)，求出氣膜的剛度。

(1)

式中：K為剛度，N/μm；W為承載力，N；h為氣膜厚度，μm；Δh為氣膜厚度增加量，取值2 μm。

3.1 氣膜厚度對軸承特性的影響分析

氣膜厚度h取值分別為8 μm、10 μm、12 μm、14 μm、16 μm、18 μm、20 μm，保持表1中其他參數(shù)不變，對軸承模型進行迭代求解，計算結果如圖4所示。圖4(a)所示為氣膜厚度對軸承承載力的影響曲線圖。從圖中可以看出，3種軸承的承載力均隨著氣膜厚度的增大而減小，但隨著氣膜厚度的增大，微孔節(jié)流氣體靜壓止推軸承的承載力下降量較大。在同一氣膜厚度情況下，小孔節(jié)流氣體靜壓止推軸承的承載力最大，微孔節(jié)流氣體靜壓止推軸承的承載力與小孔節(jié)流的相差量為2.6%～34%，環(huán)面節(jié)流氣體靜壓止推軸承的承載力與小孔節(jié)流的相差量為32%～40%。圖4(b)所示為氣膜厚度對軸承剛度的影響曲線圖。從圖中可以看出，3種軸承的剛度均隨著氣膜厚度的增大先增大后減小，但峰值位置不同，并且在軸承剛度下降過程中，微孔節(jié)流氣體靜壓止推軸承的剛度下降較快。在同一氣膜厚度情況下，當氣膜厚度h<16 μm時，微孔節(jié)流氣體靜壓止推軸承的剛度高于其他兩種軸承；當氣膜厚度h≥16 μm時，小孔節(jié)流氣體靜壓止推軸承的剛度最大。

(a) 對承載力的影響

(b) 對剛度的影響圖4 氣膜厚度對軸承靜態(tài)特性的影響

3.2 節(jié)流孔深度對軸承特性的影響分析

根據(jù)兼顧軸承承載力和剛度的原則，氣膜厚度h取值為10 μm時，改變節(jié)流孔深度，H取值分別為3 mm、5 mm、7 mm、9 mm、11 mm、13 mm，保持其他參數(shù)不變，對軸承模型進行迭代求解，計算結果如圖5所示。圖5(a)所示為節(jié)流孔深度對軸承承載力的影響曲線圖。從圖中可以看出，小孔節(jié)流和環(huán)面節(jié)流氣體靜壓止推的承載力隨著節(jié)流孔深度的增加幾乎沒有變化，微孔節(jié)流氣體靜壓止推軸承的承載力隨著節(jié)流孔深度的增加呈線性減少，但減少幅度較?。辉谕还?jié)流孔深度情況下，小孔節(jié)流氣體靜壓止推軸承的承載力最大，微孔節(jié)流氣體靜壓止推軸承的承載力與小孔節(jié)流的相差量為15%～23%，環(huán)面節(jié)流氣體靜壓止推軸承的承載力與小孔節(jié)流的相差量約為34%。圖5(b)所示為節(jié)流孔深度對軸承剛度的影響曲線圖。從圖中可以看出，微孔節(jié)流氣體靜壓止推軸承的剛度隨著節(jié)流孔深度的增大幾乎沒有變化，小孔節(jié)流和環(huán)面節(jié)流氣體靜壓止推軸承的剛度隨著節(jié)流孔深度的增大呈線性增大，但增大幅度較??；在同一節(jié)流孔深度情況下，微孔節(jié)流氣體靜壓止推軸承的剛度最大，小孔節(jié)流氣體靜壓止推軸承的剛度與微孔節(jié)流的相差量為54%～63%，環(huán)面節(jié)流氣體靜壓止推軸承的剛度與微孔節(jié)流的相差量為64%～72%。

(a) 對承載力的影響

(b) 對剛度的影響

圖5 節(jié)流孔深度對軸承靜態(tài)特性的影響

3.3 節(jié)流孔直徑、節(jié)流孔個數(shù)對軸承特性的影響分析

根據(jù)兼顧軸承承載力和剛度的原則，氣膜厚度h取值為10 μm，節(jié)流孔深度H取值為5 mm時，使小孔節(jié)流器和環(huán)面節(jié)流器的節(jié)流孔直徑相同、微孔節(jié)流器的節(jié)流面積和環(huán)面節(jié)流器節(jié)流面積相同，小孔節(jié)流器及環(huán)面節(jié)流器的常用節(jié)流孔直徑d取值為0.3 mm和0.4 mm，則微孔節(jié)流器的個數(shù)n為30個和40個[5]。保持其他參數(shù)不變，對軸承模型進行迭代求解，計算結果如表2所示。從表2可以看出，小孔節(jié)流與環(huán)面節(jié)流氣體靜壓止推軸承的承載力隨著節(jié)流孔直徑的增大而增大，微孔節(jié)流氣體靜壓止推軸承的承載力隨著節(jié)流孔個數(shù)的增多也增大，小孔節(jié)流氣體靜壓止推軸承的承載力最大，微孔節(jié)流氣體靜壓止推軸承的承載力與小孔節(jié)流的相差量為20%左右，環(huán)面節(jié)流氣體靜壓止推軸承的承載力與小孔節(jié)流的相差量為35%左右；小孔節(jié)流與環(huán)面節(jié)流氣體靜壓止推軸承的剛度隨著節(jié)流孔直徑的增大而減小，微孔節(jié)流氣體靜壓止推軸承的剛度隨著節(jié)流孔數(shù)量的增多而減小，微孔節(jié)流氣體靜壓止推軸承的剛度最大，小孔節(jié)流氣體靜壓止推軸承的剛度與微孔節(jié)流的相差量為52%左右，環(huán)面節(jié)流氣體靜壓止推軸承的剛度與微孔節(jié)流的相差量約為65%左右。

表2 3種靜壓止推軸承的承載力及剛度值

3.4 軸承流場分析

根據(jù)兼顧軸承承載力和剛度的原則，氣膜厚度h取值為10 μm，節(jié)流孔深度H取值為5 mm時，微孔節(jié)流氣體靜壓止推軸承的節(jié)流孔個數(shù)為40個，小孔節(jié)流與環(huán)面節(jié)流氣體靜壓止推軸承的節(jié)流孔直徑為0.4 mm，保持其他參數(shù)不變，對軸承模型進行迭代求解，3種軸承承載面的流線圖如圖6所示。從圖6可以看出，氣體從節(jié)流器出氣口流到軸承出氣面處的過程中，氣膜壓力逐漸減小，但由于細小管的阻力，微孔節(jié)流器出口處的壓力小于其他兩種節(jié)流器；氣體從小孔節(jié)流器和環(huán)面節(jié)流器流出后，一部分首先向節(jié)流器兩側流動，然后才向軸承出氣面流動，一部分沿徑向向內側流動，而氣體從微孔節(jié)流器出氣口流出后，直接向軸承出氣面流動，沒有向其他方向流動。通過對比氣體從這3種節(jié)流器流出后的流動情況，發(fā)現(xiàn)微孔節(jié)流器的耗散效應最小。

(a) 小孔節(jié)流氣體靜壓止推軸承

(b) 環(huán)面節(jié)流氣體靜壓止推軸承

(c) 微孔節(jié)流氣體靜壓止推軸承圖6 軸承承載面的流線圖

4 結語

(1) 微孔節(jié)流氣體靜壓止推軸承與小孔節(jié)流、環(huán)面節(jié)流氣體靜壓止推軸承相比，具有較好的剛度；

(2) 氣膜厚度的增大對微孔節(jié)流氣體靜壓止推軸承的承載力與剛度影響較大，當氣膜厚度為8～11 μm時，微孔節(jié)流氣體靜壓止推軸承的靜態(tài)特性較好；

(3) 隨著節(jié)流孔深度的增大，微孔內的阻力對氣體流動的影響增強，微孔節(jié)流氣體靜壓止推軸承的承載力下降；為使微孔節(jié)流氣體靜壓止推軸承有較好的靜態(tài)特性，節(jié)流孔深度建議為3～5 mm；

(4) 氣體從微孔節(jié)流器流出后的壓力值小于氣體從小孔節(jié)流器以及環(huán)面節(jié)流器流出后的壓力值，但微孔節(jié)流器的耗散效應要小于小孔節(jié)流器以及環(huán)面節(jié)流器的耗散效應。