狹縫節流氣體動靜壓軸承的承載特性解析

撰文/龔希美 張洪 張漢山

■450007 中原工學院機電學院 河南 新鄭

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狹縫節流氣體動靜壓軸承的承載特性解析

撰文/龔希美 張洪 張漢山

■450007 中原工學院機電學院 河南 新鄭

靜壓軸承的加壓氣體是從外部向內輸入的，通過節流器向軸承中進入，進而發揮出潤滑功效。因此，其主要特征即為節流效應；對應的，動壓軸承是憑借軸承轉動而生成轉速，因為在氣體的動力影響下出現了動壓效果，進而發揮潤滑的功能，其主要特征是速度效應。因此，分析計算動靜壓軸承的承載性能就會更加復雜，所以，就需要我們在實際工作中不斷的總結經驗，做到具體問題具體分析。狹縫節流氣體；動靜壓軸承；承載特性

軸承有限元模型分析

混合潤滑軸頸軸承是狹縫節流節流氣體動壓軸承中重要的組成部分，如下圖所示，為該軸頸的主要結構示意圖：

在上圖中，轉子直徑用字母D表示，軸承的長度用L表示，偏心量用e表示，大氣壓力和供氣壓力用Pa 和Po來表示，節流狹縫入口處的直徑可以用Ds來表示，轉子的轉速可以用w表示。

用平面的形式將軸軸承氣膜展開，然后變化其相容性，就是將軸頸的半徑R選取出來作為長度參照數值，軸向坐標可以用x表示，展開軸頸后的周向坐標可以用z來表示，狹縫的中心角坐標可以用φ表示，徑向坐標用r表示。將兩個變化制定出來，就軸頸部分而言，令z/R = Z，這樣φ= z；就狹縫而言，lnr = g，可以在準迪卡爾坐標系中反射柱坐標系，下圖為變化以后的坐標系。節流狹縫部分及承載氣膜部分的雷諾方程式為：

在整個式子中，氣膜的壓力用p表示，氣膜壓力的平方用f表示，氣膜的厚度用h表示，狹縫的寬度用a表示，A的值為12wR，并且它是因為轉速而產生的軸承數。

為了把雷諾方程降低一級，可以應用加權余量法，而且需要將給整個計算域完成離散化處理，這時就可以應用到三角形單元。通過靜壓效應，會有單元剛度過陣出現在承載氣膜區，并且，還有單元剛度矩陣存在于轉速中。

通過分析能夠發現，大氣邊界與供氣邊界上的節點壓力平方為基本的邊界線。能夠明確的是，因為轉速的影響，并非能夠用線性方程組將最終所形成的壓力方程組表示出來，因此，可以通過收斂方便、適應性強的最小二乘法進行方程求解，將各個點的壓力求解出來后，在將承載能力計算出來。因為轉速會對其帶來影響，動壓承載能力和靜壓承載能力的矢量和即為總的承載能力。當中，動壓承載力可以用Wd表示，靜壓承載力為Ws，總的混合承載力為WH。

分析有限元計算結果

a軸承轉速影響著承載能力

下圖展示出了軸承轉速對承載剛度、姿態角、承載能力等方面所帶來的影響。能夠看出，在不斷的提升了轉速之后，因為在某種程度上提升了動壓效果，相應的也會增加剛度和承載能力；而且，具有越大的偏心率，就會有著越為明顯的動壓效果。然而，盡管轉速會不斷的升高，可是承載的能力并非會跟著其提升，當在某種程度下控制了轉速之后，就不會再增大承載的能力。隨著不斷升高的轉速，姿態角會先變大然后再變小，之后就會控制在一定的數值范圍內。

b氣膜間隙影響著承載能力

對于有轉速動態條件下和無轉速靜態條件下的軸承運行情況，可以通過下圖來進行分析與觀察。通過分析能夠發現，軸承的承載能力會受到不同氣膜間隙的影響，同時，能夠發現，在靜態基礎上，有著一個最為合適的匹配值ho/a = 2.5存在于節流狹縫寬度和承載氣膜間隙中，這樣就會有著最大的承載能力，但是，在動態的基礎上，特別是存在較高轉速的時候，因為動壓現象所帶來的影響，一旦有著越小的氣膜間隙，就會有著越大的承載能力，進而也會具有越大的剛度。因此，一旦軸承在較高的轉速下工作，并且會較高的要求著支撐剛度，在設計的過程中，可以將氣膜的間隙適當的減小，進而增大動壓效果所帶來的一些影響，將剛度和承載能力提升。

c軸承程度會影響到承載能力

在動態和靜態條件下，承載能力會受到不同軸承長度的影響。能夠清晰的發現，在增大了軸承的長度之后，在動壓作用下，也會明顯的提升承載能力；對應的，也會提升其剛度，這就表明，在增加了軸承的長度之后，能夠將動壓的效果明顯增大，將承載能力提升。

d軸承里面壓力狀況

還是在動態和靜態的條件下，需要對比分析軸承內部的壓力，能夠發現，在靜態的狀態下，順著圓周的方向，壓力會呈現出左右對稱的情況，通常周圍壓力會低于節流狹縫出口處的壓力。對應的，動態狀況下，特別是存在著較大的偏心、較高的轉速時，這樣壓力在動壓效果的影響下，順著圓周的方向不會再出現對稱的現象；并且，供氣壓力也會小于局部區域內的氣膜壓力，進而就會有負拱壓現象出現在其中，而且通過節流狹縫將局部的氣體流出來；對應的，會有負壓現象出現在另外一些區域內。

結語

綜上所述，在對狹縫節流氣體動靜壓混合軸承承載特征進行研究時，可以應用有限元分析法。將數值計算模型購構建起來，然后，對 氣膜的間隙、軸承的長度、供氣壓力和軸承的轉速進行了分析，進而能夠發現，這些因素都會在某種程度上影響到軸承的承載能力。計算得出，越高的轉速，就會有著越明顯的動壓效果，從而就會有著越大的承載能力，就會有越大的姿態角度，較小的氣膜間隙，對應的，就會有越突出的動壓效果，將軸承長度增加，能夠將動壓的效果顯著提升，從而將整個承載能力提升上來。那么，通過文章上文的分析，可以清晰的掌握與了解狹縫節流氣體動靜壓軸承的承載特性，為相關工作人員在實際工作中提供一定的理論支撐。

參考：

［1］杜建軍，劉暾，謝大綱，姚英學.狹縫節流氣體動靜壓軸承的承載特性分析［J］.哈爾濱工業大學學報.2011（01）：563-565.

［2］張廣輝.高速動靜壓混合氣體軸承轉子系統動力學特性研究［J］.哈爾濱工業大學.2011（01）：896-897.

［3］向洋，陳瀚，陳學東.周期分布壓力腔的小孔節流圓形靜壓氣體軸承靜動態特性研究［J］.武漢理工大學學報.2012（02）：789-791.

［4］張雯，尹健龍，張玉冰，沈小燕，李東升.多微通道式氣體靜壓節流器承載力研究［J］.機械工程學報. 2012（20） ：632-633.

［5］陳昌婷.高速氣體軸承結構性能分析與實驗研究［D］.中國科學院研究生院（工程熱物理研究所）.2014.

作者簡介：

龔希美，（1990-），女，河南新鄉人，民族：漢，職稱：學生，學歷：研究生。研究方向：氣體潤滑軸承，超精密機械。