空氣靜壓軸承動態性能仿真研究

(上海理工大學 能源與動力工程學院, 上海 200093)

空氣靜壓軸承動態性能仿真研究

王 昊

(上海理工大學 能源與動力工程學院, 上海200093)

空氣靜壓軸承具有較小摩擦、運轉平穩、使用壽命長、回轉精度高且無環境污染等優點.以孔式節流空氣靜壓軸承作為研究對象,利用建模軟件,建立孔式節流空氣靜壓軸承三維實體計算模型.通過計算流體動力學(CFD)原理,對該模型網格劃分后模擬仿真軸承在一定偏心率下的旋轉狀態,計算并得出氣膜壓力分布圖,分析其在不同供氣壓強和不同旋轉速度對軸承承載力的影響,并得出影響軸承承載力因素的變化曲線.研究結果對孔式節流空氣靜壓軸承結構設計優化具有可靠性的指導意義.

空氣靜壓軸承; 孔式節流; 供氣壓強; 旋轉速度; 承載力

空氣靜壓軸承利用空氣作為潤滑劑,從外界提供壓縮空氣,經過壓縮的氣體經節流孔進入軸承間隙,在主軸與軸承表面形成可壓縮的氣膜層,并起負載作用.由于空氣黏度很低,摩擦力幾乎不存在,因此空氣軸承幾乎消除了由摩擦力產生的阻力和磨損,所以更適用于高速和高精度設備.較之其他軸承具有較小摩擦、運轉平穩、使用壽命長、回轉精度高且無環境污染等優點[1-2],在航空、航天以及精密測量和超精密加工設備中得到廣泛應用[3].提供足夠的承載力和穩定性的最關鍵的問題在于這些軸承的設計[4-7],因此氣體軸承已成為精密軸承的一個重要發展方向.

近年來國內外對其進行了很多研究,段明德等[8]通過建立空氣靜壓軸承三維模型,仿真分析旋轉工作狀態的軸承,得出進氣壓力、軸承轉速與氣模厚度對空氣軸承承載能力及需氣量帶來的影響;Zhu[9]等對超精密空氣靜壓軸承的瞬態流動特性進行了研究.為了捕捉湍流結構和波動,利用LES方法數值計算軸承間隙的瞬態流場,對軸承間隙渦結構和壓力波動進行了分析.Renn等[10]研究空氣靜壓軸承孔型節流器對質量流量特性的影響,并進行了一系列的模擬和試驗.結果表明,通過孔口的質量流量特性與通過噴嘴的質量流量特性不同.

空氣靜壓軸承處于低轉速工作時,表現為靜壓效應;但當軸承高速旋轉工作時,由于摩擦有相對運動,故亦會產生動壓效應.當動壓效應達到一定程度時,軸承成為動靜壓混合軸承,由原本靜壓空氣轉變為動壓靜壓混合空氣軸承,變為動靜壓混合潤滑工作.考慮到動靜壓混合狀態空氣流動情況,本研究使用計算流體動力學(CFD)的方法[10-12],在數值模擬計算基礎上分析動靜壓效應.通過數值模擬的方法求得比較精確的近似解,在實際工作時,空氣在氣體軸承間隙流動是較為復雜的三維流場,因此使用三維模型更容易得到精確的結果.其他研究一般地都沒有考慮到節流孔進口處的壓力分析.本文通過模擬得出了節流孔進口處壓力分布圖,并對其進行了分析,為空氣軸承的性能設計優化提供有效指導.

1 孔式靜壓徑向軸承的結構參數和理論分析

節流管在空氣靜壓軸承中是一個重要組成部分,有一定的阻抗,具有壓力調節的作用.氣體靜壓節流方式主要有小孔節流、多孔質節流、表面節流、毛細管節流和狹縫節流等[13],其中小孔節流方式又分為簡單孔式節流器和環形孔式節流器.本文采用環形雙排孔節流孔布置.

在軸承靜止無工作狀態時,因軸承自重和載荷(總稱為F)存在,轉軸與軸承內表面緊密接觸,無氣膜存在.當工作時,這時壓縮空氣經節流孔逐漸進入軸承間隙,直到內部壓力大于F時,轉軸被氣體浮起,氣膜形成,形成氣浮墊[14].當工作穩定時,轉軸在氣膜壓力的支承下達到平衡.但因負載存在,使得其產生了一定的偏心量e,導致上下氣膜表面壓力不一樣.負載變大時,下氣膜厚度減小,氣膜壓力變大;而上氣膜厚度增大時,氣膜壓力變小,此時上下氣膜表面會形成壓力差W,W就是氣膜承載力,用來平衡外部負載,使之內外壓力平衡.

提高靜壓氣體軸承的剛度和承載能力是優化氣體軸承性能的重要方法,多數由壓縮的供氣壓力、軸承結構參數及氣體的不同等因素確定.氣體靜壓軸承結構主要參數見表1.

表1 空氣靜壓軸承結構的主要參數Tab.1 Main parameters of aerostatic bearing structure

文獻[8]對偏心率為0.1時的空氣靜壓軸承做了一些相關研究.在文獻[15]中偏心率為0.1～0.6,研究并得出偏心率對承載力的影響結果:在一定范圍內,承載力和偏心率構成線性關系,并且在偏心率為0.5時,研究分析并得出了詳細的結論.本文取偏心率為0.3進行一系列的研究分析.

(1) 單個徑向軸承的承載力W.根據公式:

W=CjLD(ps-pa)

(1)

式中:Cj=0.2,單排孔供氣;Cj=0.25,雙排孔供氣;L=80 mm;D=60 mm;pa為環境壓力,即標準大氣壓力;ps為供氣壓力,ps=5.0×105Pa;Cj為載荷系數,它是軸承處于不同情況下,各參數確定后,可以承受的載荷與所能達的理論承載力之比.

本文采用的是徑向雙排孔供氣軸承,所以Cj=0.25.由式(1)代入數據得W=478 N.

由于空氣可被壓縮,做出假設,空氣在軸承中的狀態為等溫過程,空氣靜壓軸承處于高速工作時,表現為動靜壓混合過程,軸承內氣膜的壓力P符合Reynolds方程[16]:

(2)

式中:μ為氣體動力黏度;p為氣膜壓力;R為軸承的半徑;ρ為氣體密度;h0為軸承的平均氣膜厚度;ε為軸承的偏心率;U為軸承兩相對表面的運動速度.

2 動壓效應

圖1為空氣靜壓軸承動壓效應.當軸承工作時,因承載力W存在,旋轉中心為O2,偏心量為e.當軸承繞軸高速旋轉時,由于與空氣摩擦力存在,氣膜與軸接觸的附面層空氣將會隨轉軸一起旋轉,在圖1中X軸下,氣模的流動狀態是由氣膜較薄的一側流進,從氣膜厚的一側流出,該范圍的氣膜受力較小;X軸上,氣膜層的流動狀態是由氣膜較厚一側流進,從氣膜薄的一側流出.形成了由小變大的擴大楔形間隙和由大變小的收斂楔形間隙,滿足動壓效應形成的幾何條件.故而軸承工作會有動壓效應存在.

圖1 空氣靜壓軸承動壓效應示意圖Fig.1 Hydrodynamic effect of static pressure bearing

3 靜壓軸承的模擬仿真

3.1模型

本文采用雙排小孔節流空氣徑向軸承,節流管與軸承外殼為45°.本文主要研究氣體經節流管進入軸承的空氣狀態.因此氣體為主要對象,以氣體建立氣膜模型,采用SolidWorks建模軟件,如圖2所示.

圖2 氣膜模型Fig.2 Model of air film

3.2網格劃分

軸承工作時,高壓氣體通過45°傾角的供氣管進入到節流管時,橫截面發生了突變,因此高壓氣體在流經節流突變口時,使得速度與壓力變化幅度較大.因此在此處進行了網格加密,相對其他區域較密集,如圖3所示.

圖3 氣膜網格Fig.3 Mesh of air film

3.3數值模擬

網格劃分完,導入到FLUENT計算,求解器設置為基于壓力的求解器(Pressure Based),采用可實現性Realizablek-ε模型.此模型與標準k-ε模型、重整化群RNGk-ε模型相比,優點是可以在雷諾應力上保持與真實湍流的一致,可以更準確地模擬平面和圓形射流的擴散速度;在旋轉計算、帶方向壓強梯度的邊界層計算和分離流計算等問題中,計算更符合實際情況;針對分離流計算和帶二次流的復雜流動計算也較為準確.本研究進出口為壓力邊界條件,軸承內表面設置為旋轉面,選用非平衡壁面函數,采用SIMPLEC算法收斂計算.

3.4仿真結果

軸承工作時,壓縮氣體經節流孔進入軸承間隙,一部分沿著軸向流向兩端和中間,在中間會形成相對穩定的壓力區;軸承氣膜內膜面,由于氣體存在黏性,氣膜層會隨著壁面的旋轉而轉動,旋轉方向與軸承旋轉方向一致.

空氣靜壓軸承的供氣壓力、偏心率、軸承旋轉速度、軸承的結構參數和氣體性質等因素均會影響氣體在軸承內的流動狀態特性,進而影響到軸承工作狀態特性.本文主要針對偏心率為0.3時,研究分析供氣壓力和軸承旋轉速度對軸承承載力的影響規律.

進口壓力0.5 MPa壓縮空氣,均以45°進氣,出口壓力均為大氣壓力.由圖4(a)～(d)可以看出,壓縮氣體經45°節流管節流,壓力下降.由節流孔進入軸承時,在節流管進口右側形成了一個低壓區,并隨著順時針方向壓力逐漸升高,而不同軸承轉速對壓力分布具有一定的一致性,即旋轉速度對壓力影響很小,見圖4.

圖4 供氣壓力和軸承旋轉速度對軸承承載力影響Fig.4 Influence of gas supply pressure and bearing rotation speed on the bearing capacity of the bearing is studied

軸承工作時,供氣孔、節流孔和軸承氣膜外圓柱表面與軸承固定接觸,軸承固定.軸承氣膜內圓柱表面與軸頸接觸,軸頸以一定的速度旋轉.

在偏心率為0.3,旋轉速度為5 000 r/min的條件下,分析不同進氣壓力下的軸承氣膜內表面壓力分布.由圖5可知,一定轉速情況下,軸承氣膜壓強隨著進氣壓強的增加承載力增加,且壓力分布更加均勻.

通過氣膜壓力分布可對氣膜壓強積分計算得出氣膜壓力合力,即軸承承載力W.在不同工況下積分所得承載力不同,以此得出了不同進氣壓強和轉速與承載力的關系.

由圖6(a)可知,在偏心率為0.3,進氣壓強為0.5 MPa時,軸承的承載力在該氣膜厚度下,在轉速的逐漸提高下,承載力靜壓成平穩狀態,由靜壓與總壓圖可知軸承動壓效應隨轉速的增大逐漸減小.

由圖6(b)可知,在偏心率為0.3,旋轉速度為5 000 r/min時,在不同供氣壓力下,軸承的承載力隨著供氣壓強的增加而增加,動壓效應越明顯,見圖6.

圖5 不同進氣壓力條件軸承氣膜內表面壓力分布Fig.5 Pressure distribution of the bearing gas film

4 結 論

本文利用有限元數值模擬,研究分析在一定偏心率下,對空氣靜壓軸承旋轉工作時進行模擬計算,得出結論:壓縮氣體經節流孔進入軸承時,在節流孔右側形成了一個低壓區,順時針方向壓力逐漸升高,軸承轉速對壓力分布影響很小.軸承的承載力在一定氣膜厚度和進氣壓強下,隨轉速逐漸提高,承載力逐漸下降,成下降趨勢.軸承承載力隨著進氣壓強的增大成非線性增大,動壓也隨著壓強增大而增大,動壓變得更明顯.一定旋轉速度下,隨著進氣壓強的增大,壓力分布越均勻,越適合軸承高效穩定的工作.研究結果為孔式節流空氣靜壓軸承結構設計優化和在相關工程中的應用提供可靠性的指導及技術支撐.

圖6 不同因素對承載力的影響曲線Fig.6 Graph is different factors impact on the bearing capacity

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DynamicPerformanceSimulationofAirStaticPressureBearing

WANG Hao

(School of Energy and Power Engineering, University of Shanghai for Science and Technology, Shanghai 200093, China)

Air bearing has less friction than the other bearings.Moreover,it has a smooth operation,long service life,high precision rotary and no environmental pollution,etc.In this paper,a three-dimensional model is established to simulate the holes throttle air bearing.The model is meshed into the unstructured grid and the simulation results are obtained.Simulation results of bearing in rotating state is analyzed and studied under the influence of gas pressure and rotating speed.The air film pressure distribution of aerostatic bearing is obtained based on the results of the CFD.Finally,the paper summarizes the influence of the corresponding factors on the bearing capacity.

air static bearing; hole type throttle; inlet pressure; rotating speed; bearing capacity

2096-2983(2017)05-0280-06

10.13258/j.cnki.nmme.2017.05.006

2017-03-08

王 昊(1990—),男,碩士研究生. 研究方向: 靜壓軸承. E-mail: 740320796@qq.com

TH133

A