小孔节流静压气体球轴承的结构参数设计

气体静压轴承工程设计方法全文共四篇示例，供读者参考第一篇示例：气体静压轴承是一种利用气体静压力支撑旋转件的轴承，其主要优点是能有效降低摩擦力，提高旋转部件的转动精度和稳定性。

在工业领域中，气体静压轴承被广泛应用于高速旋转设备的支撑系统中，如风力发电机、涡轮机、离心泵等。

本文将详细介绍气体静压轴承的设计方法，帮助读者了解如何正确设计和选择气体静压轴承，以保证设备的正常运行和性能表现。

一、气体静压轴承的工作原理气体静压轴承的工作原理主要是利用气体的压力来支撑旋转部件，形成与轴承座间的薄气膜。

当旋转部件开始运转时，气体在旋转部件和轴承座之间形成一定的气体动压力，使旋转部件悬浮在气膜上并保持稳定运转。

由于气体具有良好的可压缩性和弹性，因此气体静压轴承能够有效减小轴承与旋转部件间的接触面积，降低摩擦力和磨损，提高旋转精度和稳定性。

1. 轴承结构设计：气体静压轴承的结构设计主要包括轴承座、轴承座套、密封件、供气口等部件。

轴承座应具有足够的刚度和稳定性，能够有效支撑旋转部件并能够承受气体静压力的作用。

轴承座套的内表面应平整光滑，以确保形成均匀、稳定的气膜。

密封件应具有良好的密封性能，避免气体泄漏。

供气口应设在适当位置，以便于气体进入轴承座内，形成气膜支撑。

2. 气体供给系统设计：气体静压轴承的气体供给系统是保证轴承正常运行的关键。

气体供给系统应具有稳定的供气压力和流量，以满足轴承需要。

供气口的位置应设计在轴承座的适当位置，并根据轴承的尺寸和转速合理设置。

供气系统还应考虑到气体的过滤、干燥和净化等问题，以避免气体中的杂质对轴承的影响。

3. 材料选择和润滑设计：气体静压轴承的材料选择应考虑到轴承座和密封件的耐磨性、导热性和化学稳定性等特性。

通常采用金属材料如铜、铝或不锈钢来制造轴承座，密封件则采用聚四氟乙烯等高分子材料。

润滑设计应采用无油润滑方式，减小摩擦力和磨损，提高轴承的使用寿命。

4. 载荷和速度计算：在设计气体静压轴承时，需要准确计算轴承的承载能力和转速范围。

2800r/min
0.015
1.50
1.42
4.20
/
0.021
1.55
1.45
4.15
5.80
0.026
1.20
1.05
3.90
5.20
0.036
1.30
0.90
3.00
4.00
（3）主轴系统刚性当主轴转速N=0、供油压力Ps =0.9MPa、轴承直径间隙2h0=0.030mm时，用千分表和测力环实测轴系的系统刚性列于表1－3。表1－3主轴砂轮中点处力与位移的测定值
力（N)
50
70
120
150
200
位移（μm）
1.00
1.80
2.50
2.80
3.00
当主轴转速N=1500/min和2800r/min、供油压力P s =0.9MPa、轴承直径间隙2h0=0.030mm时，用CW－6型电容测微仪和电磁测力器实测轴系的系统刚性列于表1－4。表1－4主轴砂轮中点处力与位移的测定值
ε
Fmin (N)
Q (ml/min)
Δt ( C)
0.1
948.3
306.2
10.8
0.2
1854.5
320.8
10.4
0.3
2818.4
341.0
10.2
0.4
3966.9
334.8
10.8
0.5
5899.4
311.1
12.6
测量方式
回转精度（μm）
1500r/min
3000r/min
千分表
1.0
0.50
测微仪
1.3
0.51
（2）油腔压力测定表1－2给出了四种直径间隙下的油腔压力实测值，测压点均在前轴承水平方向油腔主轴旋转方向下游阶梯处。表1－2腔压测定值

一种精密气悬浮主轴的结构设计及其特性研究李树森;任毅【摘要】为改善加工零件表面质量,针对精密车削加工的要求,结合静压气体轴承,设计一种新型气悬浮主轴.建立该系统结构的设计模型,整体系统布局采用圆柱径向和平面止推气体轴承相结合的支撑结构.通过表压比法确定了该结构的偏心率值,利用FLUENT软件验证该值的合理性;在ANSYS Workbench中建立主轴转子的有限元模型,对设计转速进行模态分析和验证.结果表明:设计的主轴转速能够有效避开共振区,保证主轴运转稳定,减小加工误差.%In order to improve the surface quality of machined parts,combining with aerostatic bearings;a novel airbearing spindle system was designed to meet the requirement for precision turning.A general design model of the system structure was established.The overall of spindle system uses aerostatic supporting structure combined with cylindrical radial and plane thrust bearing.The eccentricity value of the structure was determined by gauge ratio method,and the rationality of this value was verified by the FLUENT software.The finite element model of spindle rotor was established and simulated in ANSYS Workbench to verify the design speed.The result shows that the designed spindle speed can effectively avoid the resonance area,to ensure stable operation of the spindle and reduce the processing error of parts.【期刊名称】《润滑与密封》【年(卷),期】2017(042)004【总页数】5页(P80-83,88)【关键词】主轴系统;气体轴承;静特性;模态仿真【作者】李树森;任毅【作者单位】东北林业大学机电工程学院黑龙江哈尔滨150040;东北林业大学机电工程学院黑龙江哈尔滨150040【正文语种】中文【中图分类】TH47针对精密、甚至于超精密车床而言，主轴系统是其核心部件，机床的加工质量与之密切相关。

2008年9月第33卷第9期润滑与密封LUBR I C A TI ON EN GI N EER I N GSe p.2008V ol 133No 193基金项目:新世纪优秀人才支持计划资助项目(NCET 20520834);长江学者和创新团队发展计划资助项目(I RT0746)1收稿日期5作者简介侯予(3—),男,教授,博士生导师,研究方向为高速透平机械及气体润滑技术、新型制冷技术等12y @1xj 111小孔节流静压止推气体轴承静特性的数值分析3侯　予1　赵祥雄2　陈双涛1　陈纯正1(11西安交通大学制冷与低温工程研究所　陕西西安710049;21河南农业大学机电工程学院　河南郑州450002)摘要:介绍了计算流体力学软件FL U E N T 及其在气体轴承研究中的应用。

针对环形小孔节流静压止推气体轴承,基于F LU E NT 软件进行了简化假设并建立了计算模型,利用FL U E N T 软件对止推气体轴承模型进行了数值分析,求解了环形小孔节流静压止推气体轴承的压力场分布、耗气量和承载能力等轴承静特性,并成功捕捉到了大气膜间隙下供气孔周围的压力突降区。

对计算结果进行了分析,并与文献计算值以及试验值进行了对比,验证了数值分析的可靠性。

关键词:气体轴承;静压轴承;止推轴承;FLUE N T中图分类号:T H11712　文献标识码:A 文章编号:0254-0150(2008)9-001-3Num er i ca l Ana lysis of Externa lly Pr essur ized Ga sThr ust Bea r i n g with Supply HolesHo u Yu 1　Zhao Xia ngxi ong 2　Che n S hua ngta o 1　Che n Chunz he ng 1(11Institute of R efri ge ra ti on and C ry ogenic Engi neering,Xi ’an J iaot ong University,X i ’an Shaanxi 710049,Ch i na;21College ofM echanical and Elec trical Enginee ring,Henan Agricultural University,Zheng zhou Henan 450002,China )A bstr ac t:A soft war e of Comp utati onal Fluid D yna m ics (CFD),F LU E N T,was intr oduced and u sed in the r esearch ofgas bearings .Physical and m athe matical models were p r opo sed and si mp lified according to the usual assump tion .B y u sing F LUEN T,the nu merical si mulati on was made on the externally p r essurized gas thrust bearing with supp ly holes .The static par ameters such as l oad capacity,p ressu rized gas c on su mp tion and the p r essure filed of this thrust bearing wer e ob tained .The characteristic of p ressure d ive close to f eeding ho les under special c onditi on was caught successfully .The numerical si mu lati on r esu lts w ere comp ared w ith the results of classic methods and ex p eri men t,which show s that the nu merical analy 2sis using F LU ENT is suitab le and of high accuracy for gas bearings .Keyword s :gas bearing;externally p ressu rized bearing;thrust bearing;FLUEN T　由于静压轴承工作稳定,使用寿命长,承载力大,加工方便,因此静压止推轴承在工业领域得到了十分广泛的应用。

为矩形块状, 流出油腔的 流 量 分 别 为 Q 1 、Q 2 、Q 3 、Q 4 ,
构如图 1 所示。
在图 1 中,工作时,供油系统将指定压力的润滑油
导入,润滑油流经粗过滤装置 8、油泵 7 和精过滤装置
5 后筛掉油中杂质,此时如润滑油压力过大,润滑油则
会经溢流阀 6 回流到油箱内;过滤后的润滑油通过小
孔节流器 3 流入轴承间隙,支撑起轴承的凸半球 1,最
后随转子转动流回到油箱 9,形成了完整的液压回路。
lubrication of spherical hybrid sliding bearings is established and the Reynolds equation under laminar flow state is deduced from
this model. The pressure distribution of the oil chamber and oil edge are calculated according to the flow conservation principle of
Corresponding author: SHEN JingFeng, E-mail: shjf@ , Tel:+86-21-55273617
The project supported by the Shanghai Sailing Program ( No.19YF1434500) .
为偏心率,则偏心率的表达式为
ex
ìï
ε =
ï x h0
ï
ey
ï
(4)
íε y =
h0
ï
ï
e
ïε = z
z

图1 小孔式节流器
气体流经小孔而形成压力降的节流装置称为小孔 式节流器 。按节流截面又分为简单孔式节流器和环形 孔式节流器 。图 1 中 ( a ) 为简单孔式节流器 , 其节 2 流截面为小孔横截面 , 面积为 A = π d / 4 。为节流孔 直径 。它的数值不受气膜厚度 h 的影响 。图 1 中 ( b) 为环形孔式节流器 , 其节流截面是以气膜厚度 h 为高 度的小孔圆周形成的环形面 , 面积为 A = π dh 。 当π dh 2 <π d / 4 , 即 h < d/ 4 时 , 小孔横截面的面积大于上述 环形面积 , 已经起不到节流作用 , 形成了环形孔节 流 , 它的数值受气膜厚度 h 影响 。 在简单孔式节流器中 , 开有一小的气腔 , 其目的 2 是使 π d1 h > π d / 4 , 其中 d1 为气腔的直径 , 保证了 小孔节流方式为简单孔节流器 。气腔的深度 h1 应如 此确定 : 使节流孔圆周在气腔内围成的环形面积 π d 2 ( h + h1) 大于节流孔横截面面积 π d / 4 。或者 h1 > d/ 4 - h 。所以 , 只有同时满足 : 2 ( 1) d1 > d / 4 h 和 h1 > d/ 4 - h
Analysis of Orifice Compensated Mode Affecting Aerostatic Bearingπs Working Stiffness
Li Shusen Liu Tun Zhang Pengshun ( Harbin University of Technology )
图2 圆柱轴承工作示意图
对于圆柱气体轴承的工程计算方法中 , 轴承工作 刚度的计算方法如下[1 ] : 首先计算出气流通道系统 f 1 i , 工作介质系数 f 2 和轴承结构系数 f 3 。其中 :

气体静压轴承结构
气体静压轴承是一种利用气体静压作用力而实现支撑和旋转的轴承结构。

它主要由轴承壳体、阻尼器、分隔气室和调节控制系统等组成。

1. 轴承壳体：气体静压轴承的主要部分是一个轴承壳体，其内部设有气体导流槽和通气孔，用于控制和调节气体压力和流动方向。

2. 阻尼器：阻尼器是由摩擦材料制成的圆环，安装在轴承壳体的两端。

它能够在转子旋转时产生摩擦力，通过阻尼效应消耗能量，从而提高轴承的稳定性和减小振动。

3. 分隔气室：轴承壳体内部分隔成若干个气室，气室之间通过导流槽和通气孔连接。

这些气室用于储存和调节气体，以提供静压力支撑和旋转力。

4. 调节控制系统：气体静压轴承的调节控制系统用于实时监测轴承的状态，调节和控制气体压力、流量和温度等参数，以满足不同工作条件下的要求，确保轴承的稳定性和可靠性。

气体静压轴承结构的优点包括高转速、低摩擦、低噪音、长寿命和自润滑等特点。

它在各种高速旋转设备中广泛应用，如风力发电机组、航空发动机、切削机床等。

作稳 定性 口６。文献 Ｅ ］ ＿ ＿ Ｔ 对通 常供气 压力 和 气膜 高 度 范 围 内的环 面节流 静压 圆盘 止推 气体 轴承 的动 态 性能参 数 进行 了计 算 。文 献 Ｅ ］ 用 工 程简 化 ８采 算 法按 最大 静 刚度准 则设 计环 面节 流环 状止 推气
为 ， 出气膜 边 界时 的气体 压力 为 Ｐ 。在 供气 流
中 图分 类 号 ： Ｈ１ ３ ３ Ｔ ３．６ 文献标志码 ： Ａ 文章 编 号 ： ６ ４ ３ ４ （ ０ ２ ０ — ０ １０ １ ７ — ６ ４ ２ １ ） １０ ６ —４
静 压 圆盘止 推 气 体 轴 承 中 ， 面 节 流方 式 的 环
排气 孔 ， 有 ４个几 何参 数 ， 仅 即圆 盘外 半径 Ｒ 、 供
譬ｒ等 ＋ ｒ ａ ０ ｒ ｒ ｃ ３ Ｌｄ ０
㈩
１ 数 学模 型
环 面 节流 盘 状 止 推 气 体 轴 承 结 构 如 图 ｌ所 示 ， 气膜 支承 面为 一完 整 的圆盘 ， 其 与环 状 止推气 体 轴 承不 同 ， 圆 盘 中心没 有 与 周 围环 境 相 通 的 其
ｐ／ 。 ｐ。
＝ ＝ ＝
设 个 供 气 孔沿 圆周均 匀 分 布 ， 计算 时 可 则 取 整个 圆 盘 的 １ ２ ／ ｎ为 求 解 域 ， 图 ２所 示 。 式 如
，
（ ） 示 的雷诺 方程 形式 较复 杂 ， 方便 求 解 ， １所 为 可
对 该式 进行 保角 变换 。令 一ｌ ， ｄ 一 ｎ 即 ｒ 畦 ， 一 代
｛
图 １ 环 面 节 流 盘 状 止 推气 体 轴 承 结 构
Ｆｉ．１ Ｓ ｈｅ ａ ｉ ｆｂ ａ ｉ ｇ ｃ ｍ ｔｃ ｏ ｅ ｒｎｇ
入 式 （ ） 可得 求解 域 为标准 矩形 的定常静 压雷 诺 １，

２１ ０ ２年 １ 月
机 与液压
ＭＡＣＨＩ ＮＥ ＴＯ０Ｌ ＆ ＨＹＤＲＡＵＬ ＣＳ Ｉ
Ｊｎ ２ ２ ａ ． ０１
Ｖｏ． ０ Ｎｏ １ １４ ．
第４ ０卷 第 １期
Ｄ ：１ ． ９ ９ ｊ ｉ ｎ １ ０ ＯＩ ０ ３ ６ ／ ．ｓ ． ０ １—３ ８ ． ０ ２ ０ ． ２ ｓ ８ １２ １． １０ ６
中图分类 号 ：Ｔ ３ ．６ Ｈ１３ ３ 文献标识码 ：Ａ 文章编号 ：１０ ３ ８ ２ １ ）１ ０ ５— ０ １— ８ １（０ ２ —９ ４
Ｄｅ ｉ ｎ ｆＭ ａ ｎ Ｃｏ ｆｇ ｒ ｔｏ ｒ ｍ ｅ ｅ ｓ ｏ ｔ ｒ ｌ ｅ ｓ ｉｅ ｓｇ ｏ ｉ ｎ ｕ ａ ｉ ｎ Ｐａ ａ ｔ ｒ ｆＥｘ ｅ ｎａ ｌ Ｐｒ ｓ ｕｒｚ ｄ ｉ ｙ Ｃｉｃ ａ ｒ ｔ Ｇａ ａ ｉ ｓ ｗｉｈ ｒｆｃ ｍ ｐｅ ｓ ｔｏ ｒ ｕｌ ｒ Ｔｈ ｕｓ ｓ Ｂｅ ｒｎｇ ｔ Ｏ ｉ ｅ Ｃｏ ｉ ｎ ａｉ ｎ
Ａｂ ｔ ａ ｔ Ｉ ｆ ｅ ｃ ｓ ｏ ｈ ｎ ｅ ｆｄ ｍｅ ｓ ｎｅ ｓ ｏ ｆ ｅ ｄ ｓ ｂ ｔ ｉ ｌ ａ ｉ ｓ Ｃ，ｏ ｆ ｅ ｎ ｍｂ ｒ ｎ ａ ｄ ｏ ｆ ｅ ｄａ ｔｒ ｄ ｔ ｓｒ ｃ ： ｎｌ ｎ ｅ ｆｃ ａ ｇ ｓ ｏ ｉ ｎ ｉ ｌｓ ｒｉ ｉｔ ｕ ｅ ｃｒ ｅ ｒ ｄｕ ｕ ｏ ｉ ｃ ｉ ｒ ｃ ｉ ｒ ｃ ｕ ｅ ｎ ｒ ｃ ｉｍｅ ｅ ｏ ｉ ｉ ｉ ｂ ａ ｉ ｇ ｔ ｔ ｈ ｒ ｃｅ ｉｔ ｓｗｅ ｅｃ ｌ ｕ ａｅ ｙ ｍｅ ｎ ｆ ｏ ｆ ｒ ｌｔ ｎ ｆｒ ｔ ｎ Ｆ ｅ ｒ ’ ｓａｉ ｃ ａ ａ ｔｒｓ ｃ ｒ ａｃ ｌｔ ｄ ｂ ａ ｓ ｏ ｎ ｏ ｍａ ｒ ｓ ｍａｉ ＥＭ． Ｖａ ａｉｎ ｆｏ ｆ ｅ ｄ ａ ｔｒｄ ａ ｄ ｏ ｆ ｅ ｎ Ｓ ｃ ｉ ｃ ａ ｏ ｏ ｉ ｏ ｒ ｔ ｓｏ ｒ ｃ ｉｍｅ ｅ ｎ ｒ ｃ ｉ ｉ ｉ ｉ ｎ ｍｂ ｒｎ ｗｉ ｅ ｕ ｔ ｎ ｖ ｓ ｌ ｆ ｅ ｃ ｏ ｓａｉ ｏ ｄ ｃ ａ ａ ｔｒ ｔ ｓｏ ｅｂ ａｉ ｇ Ｖａ ａ ｉｎ ｆｄｍｅ ｓｏ ｌｓ ｒ ｃ ｉ ｒ ｕ ｅ ｃｒ ｌ ｕ ｅ ｌ ｒ ｓ ｌ ｉ ｉｉ ｅ ｉｌ ｎ ｅ ｔ ｔｔｃｌａ ｈ ｒ ｃｅ ｓｉ ｆｔ ｅ ｒｎ ． ｌ ｂ ｎｕ ｉ ｃ ｈ ｉ ｏ ｒ ｔ ｓｏ ｉ ｎ ｉ ｎｅ ｓｏ ｆ ｅｄ ｓｉ ｔ ｉ ｅ ｉ ｉ ｔｂ ｃ ｒｄｕ ａ ｉ ｓ Ｃ，ｏ ｉ ｃ ｕ ｅ ｎ ｒ ｃ ｉｍｅｅ ｉ ｅ ｕｔｉ ｉｉ ｌ ｆ ｅ ｃ ｕ ｈ ｒ ｃｅ ｓｉ ｓａ ｄ ｓａｉ ｔ ｆ ｅ ｓｃ ａ ａ ｔｒ ｔ ｓ ｒ ｅ ｎ ｍｂ ｒ ａ ｄ ｏ ｆ ｅ ｄ ａ ｔ ｒ ｗ ｌ ｒ ｓ ｌ ｎ ｖ ｓ ｅ ｉ ｌ ｎ ｅ ｔ ｆ ｘ ｃ ａ ａ ｔｒ ｔ ｎ ｔ ｔ ｓｉ ｎ ｓ ｈ ｒ ｃｅ ｓｉ ｉ ｆ ｎ ｉ ｉ ｄ ｌ ｂ ｎ ｕ ｏｌ ｉ ｃ ｃ ｆ ｉ ｃ ｏ ｈ ｅ ｒｎ ． Ａｃ ｏ ｄ ｎ ｏ ｄ ｓｇ ｒ ｅ ｉ ｆｐ ｉｒｔ ｔ ｆ ｅ ｓ ｏ ｓｄ ｒｎ ｕ ｎ ｏ ｄ，ｔ ｅｒ ｎ ｅ ｆｒａ ｏ ａ ｌ ｉ ａ ａ ｔｒ ｆ ｆｔ ｅ ｂ ａｉ ｇ ｃ ｒ ｉ ｇ ｔ ｅ ｉｎ ｃ ｔｒａ ｏ ｒ ｉ ｙ ｓｉ ｎ ｓ ，ｃ ｎ ｉｅ ｉ ｇ ｆ ｘ ａ ｄ ｌ ａ ｉ ｏ ｆ ｌ ｈ ａ ｇ ｓｏ ｅ ｓ ｎ ｂ ｅｍａｎ ｐ ｒ ｍｅｅ ｓｏ ｔ ｅ ｂ ａ ｎ ｒ ｅ ｕ ｅ ． ｈ ｅ ｒ ｇ ａ ｅ ｄ ｄ ｃ ｄ ｉ Ｋｅ ｗｏ ｄ ： Ｅ ｔ ｒ ａｌ ｒ ｓ ｕ ｚ ｄ ｔ ｒ ｓ ｇ ｓｂ ａｉ ｇ Ｏｒ ｃ ｏ ｅ ｓ ｔ ｎ；Ｓ ａｉ ｈ ｒ ｃｅ ｓ ｃ ； Ｐ ａ ｔｒｄ ｓｇ ｙ ｒｓ ｘ ｅｎ ｌ ｐ ｅ ｓ ｒ ｅ ｈ ｕ ｔ ａ ｅ ｒｎ ； ｉ ｅ ｃ ｍｐ ｎ ａ ｉ ｙ ｉ ｉ ｆ ｏ ｔｔ ｃ ａ ａ ｔｒ ｔ ｓ ｃ ｉ ｉ ｒ ａ ｍｅｅ ｅ ｉｎ

气体静压轴承工程设计方法
气体静压轴承是一种利用气体压力支撑旋转机械零件的设备，它能够减少摩擦、降低磨损、提高机械运行的稳定性和精度。

在进行气体静压轴承的工程设计时，需要考虑以下几个方面：
1. 轴承负载计算，首先需要对轴承所承受的负载进行计算，包括径向负载和轴向负载。

这些负载将决定气体静压轴承的尺寸和工作参数。

2. 气体供给系统设计，气体静压轴承需要一个稳定的气体供给系统，以确保在轴承工作时能够形成稳定的气膜支撑。

设计时需要考虑气体的压力、流量、供给方式等参数。

3. 轴承结构设计，轴承的结构设计包括气体静压腔的形状、尺寸和数量，以及气体进出口的位置和方式。

这些设计将直接影响轴承的稳定性和工作效果。

4. 材料选择和表面处理，轴承的材料选择和表面处理对于减少摩擦、提高耐磨性和延长使用寿命非常重要。

通常选择耐磨性好的材料，并进行表面涂层或者特殊处理。

5. 系统稳定性分析，在设计完成后，需要进行系统稳定性的分析和仿真，以确保轴承在工作时能够稳定可靠地支撑旋转部件，避免产生振动和噪音。

总的来说，气体静压轴承的工程设计涉及到多个方面，需要综合考虑轴承的负载、气体供给、结构设计、材料选择和系统稳定性等因素，才能设计出性能稳定、可靠的气体静压轴承。

2019年第6期
液压与'动
29
doi ： 10.11832/j. issn. 1000-4858.2019. 06.006
动静压气体轴承的结构参数设计
王东强，于贺春，王广洲，李智浩，赵则祥
(中原工学院机电学院，河南 郑州450007)
摘要：针对人字槽狭缝节流动静压气体轴承的结构参数对轴承静态特性的影响，采用四因素三水平
引言 动静压轴承是高档精密机床及测量仪器的主要部
件，具有稳定性好、精度高,抗干扰能力强等优点［1"4］o 目前，动静压轴承润滑方式有水润滑、油润滑、气体润 滑等［5-6］o其中，以空气作为润滑介质的动静压轴承 受到越来越多的科研人员的重视,在高精度磨床,圆柱 度仪、三坐标测量机等精密设备上得到广泛应用。
专家学者对气体动静压轴承的各方面特性进行了 大量研究。王云飞等［7］在《气体润滑理论与气体轴承
设计》一书中详细介绍了动静压混合润滑气体轴承的 稳态设计和动态设计，为孔式、缝式、孔-腔型的气动静 压轴承提供了理论指导。孟曙光、郭胜安等［8-9］分别 采用CFD软件仿真和数值计算的方法对小孔节流深
收稿日期：2018-08-31 基金项目：国家自然科学基金(51405523,51475485) 作者简介：于贺春(1982*),男，河南驻马店人,副教授，博 士，主要研究方向为气体润滑技术、精密机床。
0.53
0.49
7
3
1 3 3 3 0.43
0.71
0.40
0.42
0.41
8
5
2 2 3 1 0. 33
0.44
0.39
9
6
2 3 1 2 1.00
0. 33
0.67
4

基于Fluent的小孔节流式空气静压轴承特性研究薛义璇;陆金生;侯志勇;王燎原;单鸿波【摘要】节流孔、气腔及气膜等结构参数是影响小孔节流式空气静压轴承特性的重要因素.为系统地揭示多个设计变量对轴承静态性能的影响规律并提高轴承的气膜稳定性,建立了空气润滑轴承的理论模型,利用Fluent软件的有限元模拟获得了空气轴承的静态曲线;结合DOE仿真试验综合探究了结构参数对轴承性能的影响,并提出带倒角的气腔结构.研究表明,轴承力学性能对气腔及节流孔直径的变化较为敏感,同时也在一定程度上受其长度的影响;带倒角的气腔结构可缓解气腔内的气体冗余现象,有助于轴承稳定性的提高.该研究成果可有效地指导气体静压支撑系统的优化设计.【期刊名称】《自动化与仪表》【年(卷),期】2019(034)004【总页数】5页(P70-74)【关键词】轴承特性模拟;有限元;小孔节流;气锤现象;气腔倒角【作者】薛义璇;陆金生;侯志勇;王燎原;单鸿波【作者单位】东华大学机械工程学院,上海201620;东华大学机械工程学院,上海201620;东华大学机械工程学院,上海201620;东华大学机械工程学院,上海201620;东华大学机械工程学院,上海201620【正文语种】中文【中图分类】TH133.36空气静压轴承以气体作为润滑介质，具有运转精度高、清洁无污染、几乎无磨损且受温度影响较小等优点。

随着超精密加工技术的不断发展，小孔节流作为目前最主要的静压轴承形式被广泛应用于精密测量仪器、仪表中[1-3]。

空气静压轴承的力学性能与节流器尺寸、气腔尺寸以及气膜间隙等轴承参数密切相关，是提高仪器测量精度的基础。

因此，详实地揭示设计参数对轴承性能的影响规律，可以有效地指导空气轴承的优化设计。

1 国内外研究进展为了提高小孔节流式空气静压轴承的动、静态性能，国内外学者对轴承的设计参数进行了深入研究。

在静态性能方面，文献[4]在正交试验的基础上研究了节流器小孔的长径比与静压轴承力学性能间的关系；文献[5]采用数值模拟方法分析节流器内部流场，发现了流体域内气体速度的变化规律；文献[6]建立了空气轴承的流固耦合理论模型，在数值计算的基础上对小孔节流器结构进行优化；文献[7]利用有限差分法对径向小孔空气轴承流场进行计算和迭代，结果表明增大偏心率可提高轴承的承载力；文献[8]提出了用于计算节流参数与轴承性能之间关系的混合数值求解方法。

2012 年 1 月 第 40 卷 第 1 期
机床与液压
MACHINE TOOL ＆ HYDRAULICS
Jan. 2012 Vol. 40 No. 1
DOI： 10． 3969 / j. issn. 1001 － 3881. 2012. 01. 026
小孔节流式盘状静压止推气体轴承主要几何参数的设计
柱坐标系下二维定常无因次静压雷诺气体润滑方 ［10 ］ 程为 ： 3 2 2 h h 3 p p ×n
∫ ∫
0
π/n
Rb Ra
prdrdθ － πR2 b pa
（ 3）
(
)
( )
其中： r 和 θ 是气膜中任一点的柱面坐标 ； h 为气膜 中任一点的无因次厚度 ， 且 h = h / h0 ， h0 是特征气膜 高度； r为气膜中任一点的无因次半径 ，且 r = r / R b ； p 为气膜中任一点的无因次压力 ，p = p / p s 。 应用有限元求解之前，需首先确定问题的研究域。 设 n 个供气孔沿圆周均匀分布，则计算时可取整个圆 盘的 1 / （ 2n） 为求解域，如图 2 所示。式 （ 1 ） 所示的 雷诺方程形式较复杂，为方便求解，可对该式进行保 角变换。令 ξ = ln r，即 d r = r d ξ； 代入式 （ 1 ） ，可得 求解域为标准矩形的定常静压雷诺气体润滑方程： 2 2 p p h3 + h3 =0 （ 2） θ θ ξ ξ
2 k k +1 2 ψ= pd k k － 1 ps
{ [(
) ]}
k +1 k －1 2 k
1 2
当
pd ≤β k ps
{ [ ( ) ( ) ]}

基于Fluent 的小孔节流式空气静压轴承特性研究DOI :10.19557/ki.1001-9944.2019.04.018薛义璇,陆金生,侯志勇,王燎原,单鸿波(东华大学机械工程学院,上海201620)摘要:节流孔、气腔及气膜等结构参数是影响小孔节流式空气静压轴承特性的重要因素。

为系统地揭示多个设计变量对轴承静态性能的影响规律并提高轴承的气膜稳定性,建立了空气润滑轴承的理论模型,利用Fluent 软件的有限元模拟获得了空气轴承的静态曲线;结合DOE 仿真试验综合探究了结构参数对轴承性能的影响,并提出带倒角的气腔结构。

研究表明,轴承力学性能对气腔及节流孔直径的变化较为敏感,同时也在一定程度上受其长度的影响;带倒角的气腔结构可缓解气腔内的气体冗余现象,有助于轴承稳定性的提高。

该研究成果可有效地指导气体静压支撑系统的优化设计。

关键词:轴承特性模拟;有限元;小孔节流;气锤现象;气腔倒角中图分类号:TH133.36文献标志码:A文章编号:1001⁃9944(2019)04⁃0070⁃05Investigation on Characteristics of Orifice ⁃type Aerostatic Bearing Based on FluentXUE Yi ⁃xuan ,LU Jin ⁃sheng ,HOU Zhi ⁃yong ,WANG Liao ⁃yuan ,SHAN Hong ⁃bo(College of Mechanical Engineering ,Donghua University ,Shanghai 201620,China )Abstract :Structural parameters such as orifice ,gas chamber and gas film are important factors influencing the char ⁃acteristics of orifice ⁃type aerostatic bearings.In order to systematically reveal the influence law of multiple designvariables on the static performance of the bearing and improve the stability of gas film ,the theoretical model of the gas ⁃lubricated bearing was established ,and the static curve of the bearing was obtained with the Fluent bined with DOE simulation experiment ,the influence of structural parameters on bearing performance was compre ⁃hensively investigated ,and the gas ⁃chamber structure with chamfering was proposed.The results show that the me ⁃chanical properties of bearing are sensitive to the diameter changes of gas chamber and orifice ,and are also affectedby their length to some extent.The gas ⁃chamber structure with chamfering can alleviate the phenomenon of gas re ⁃dundancy in the gas chamber and improve the bearing stability.The research results can effectively guide the opti ⁃mization design of aerostatic supporting system.Key words :bearing characteristics simulation ;finite element method ;orifice throttling ;pneumatic hammer ;chamferedgas ⁃chamber收稿日期:2019-01-14;修订日期:2019-02-19作者简介:薛义璇(1993—),女,硕士,研究方向为工业设计、轴承产品的设计。

（ｅｅｓ ｒｐａ ｇ ０ｓｃｅ ｗａ ｇ １ｏ ｆ ｅ ｉ ｅ ｒ ｄｒ ｉｓ ｆｐ ｅｅ ｒ ｓ ｗａ ｎｌ ０ ， ｋｔ ｒ ａ ｌ ０ ，ｒ ｃ ａ ｔ ａ ｄｕ ｈｒ Ｒ）ｗ ｓ ｓ ｂｉ ｅ ． ｈ ｉｉｔｄ ｒ ｃ ｅ ｏ ｐｎｅ ｉ ｉ ｄ ｍ ｅｄ ｎ ａ ｏｓ ａ ｔ ｌｈｄ Ｔ ｅ ｍ ｌｕ ｅ ｉ ｅａ ｓ ｓ ｉ ｃ－
ｔ ｉ ｏ ｅｔ ｎｌ ｒ ｓｒ ｅ ｈｒ ａ ｇｓ ｅｒ ｇｗ ｓ ｓｄｔ ｒ ｕｅｔｅｄｓ ｎｖｒ ｂｅ ｔ ｔ ｅ ０ ，ｌｄ ． ｈ ｏ— ｅ ａ ｆ ｘ ｒａ ｙｐｅ ｕｉ ｄｓ ｅ ｃｌ ａ ａ ｎ ａ ｕｅ ｄ ｃ ｅｉ ａ ａｌ ｒｅ（ ００， ）Ｔ ｅｃｎ ｒ ｅ ｌ ｓ ｚ ｐ ｉ ｂ ｉ ｏｅ ｈ ｇ ｉ ｓｏｈ
ｐ ｅ ｓｂ ｅｆｏ ａ ｓ ｍｐ ｉｎ ｔ ｅ ｅ ｐｉｉ ｅ ｐ ｅ ｓｏ ｆｔｅ ｓｉ ｎ ｓ ｉｈ ｉ ｃｕ ｅ ｏ ｒ ｂ ｌ ｂ ａ ｉｇ ｓｒ ｃｕ ｅ ｐ ｒｍｅｅ ｓ ｒｓｉ ｌ ｗ ｓｕ ｔ ｓ，ｈ ｘ ｌｃｔ ｘ ｒｓｉｎ ｏ ｈ ｔ ｆ ｅ ｓ ｗｈｃ ｎ ｌｄ ｓｆ ｕ ａｌ ｅ ｒｎ ｔｕ ｔ ｒ ａａ ｔｒ ｌ ｏ ｆ
Ｓ ｈｅ ｉａ ｓＢｅ ｒｎ ｔ ｉ ｌ ｉ ｃ ｐ ｒｃ ｌＧａ ａ ｉ ｇ ｗｉｈ Ｓ ｎｇｅ Ｏｒｆ ｅ ｉ
Ｇｕ ｉｎ ｂ ｎ Ｙａ ｇ Ｚｈ ｎｏ ｇ ｏ Ｌａ ｇ ｉ ｎ ｅ ｌｎ
（ ｏｌ ｅｏ Ｍａ ｈ ｅ Ｃ ｌ ｇ ｆ ｃ ｉ ｒ ｅ ｎ ｙ＆ Ａ ｔ ａｉ ， ｈ ｎ Ｕ ｉ ｒ ｔ ｏ ｃ ｎ ｅａ ｄＴ ｃ ｎ ｌ ｙ Ｗｕ ａ ｕ ｅ ４ ０ ８ ， ｈ ａ ｕｏ ｔ ｎ Ｗｕ ａ ｎｖ ｓ ｙ ｆ ｉ ｃ ｎ ｅｈ ｏｏ ， ｈ ｎ Ｈ ｂ ｉ ３ ０ Ｃ ｉ ） ｍ ｏ ｅ ｉ Ｓ ｅ ｇ １ ｎ

气体静压轴承设计与优化研究气体静压轴承是一种常见的轴承类型，其优势在于不需要润滑剂和运行时几乎没有摩擦损耗。

然而，其设计和优化是一个复杂的过程，涉及到许多关键参数的选择和调整。

本文将讨论气体静压轴承的设计与优化研究。

首先，气体静压轴承的设计需要考虑到轴承的稳定性和刚度。

轴承的稳定性是指在运行时是否能够保持稳定的工作状态，而刚度则影响轴承在承受外力时的变形情况。

为了提高轴承的稳定性和刚度，设计中需要确定轴承的几何形状和材料。

通常情况下，轴承的径向间隙越小，轴承的刚度越大，但径向间隙过小也会增加摩擦力，影响轴承的工作效率。

其次，气体静压轴承的优化研究主要集中在提高轴承的负载能力和降低摩擦损失。

轴承的负载能力是指轴承能够承受的最大外力，对于一些重负载的应用场景，提高轴承的负载能力至关重要。

而减小摩擦损失可以提高轴承的工作效率和寿命。

为了提高轴承的负载能力，研究者通常采用增加轴承的长度和直径，以及设计更加复杂的结构，如多级叶片结构。

而降低摩擦损失则需要考虑到轴承的几何形状和表面处理技术。

在设计和优化气体静压轴承时，还需要考虑到温度和润滑问题。

轴承的温度过高会导致材料的变形和劣化，从而影响轴承的工作性能，因此需要采取有效的散热措施，如增加散热片和冷却系统。

而对于气体静压轴承来说，由于不需要润滑剂，所以不会存在润滑问题。

最后，气体静压轴承的设计和优化研究还需要考虑到实际应用的情况。

不同的应用场景可能需要不同的轴承参数和结构设计。

例如，在高速旋转设备中，需要提高轴承的刚度和稳定性；而在重负载设备中，需要提高轴承的负载能力和耐磨性。

因此，在设计和优化气体静压轴承时，需要考虑到实际应用的需求，确保轴承能够满足实际工作条件。

综上所述，气体静压轴承的设计与优化研究是一个复杂而关键的过程。

在设计时需要考虑到轴承的稳定性和刚度，优化研究则着重提高轴承的负载能力和降低摩擦损失。

同时，还需要考虑到温度和润滑问题，以及实际应用中的需求。

雷诺 气 体润 滑方 程 ：
（ 。 ）＋ （ ｓ ）一 ０ （） ２
径 以及轴 承半 径共 ５ 参 数 。几何 参 数对 轴 承 的 个
性 能有 着极 大 的影 响 ， 计 合 理 的几 何 参 数 能使 设 轴承 具有 良好 的 工 作 性 能 。为 此 ， 文 按 照 优 先 本 考虑 静 刚度指 标 以及 兼 顾 流 量 、 承载 力 指 标 的设 计 原 则 ， 用保 角变 换 有 限元 法 研 究 环 面 节 流 多 采
度 指 标 以及 兼 顾 流 量 、 载 力 指 标 的设 计原 则 ， 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 承 采 基 本 过程 ， 详 细讨 论 了球 窝 外 包 角 、 气孔 包 角 、 气 孔 数 和 供 气孔 直 径 对 轴 承 静 特 性 的 影 响 。 结 果 表 明 ， 并 供 供 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 ， 流 量 特 性 影 响 较 大 的 参 数 是 供 气 孔 数 和 供 对
中图分类号 ： ＴＨ１ ３ ３ ３．６ 文献标志码 ： Ａ 文 章 编 号 ：６ ４ ３ ４ （ ０ １ ０ — １ ７０ １ ７— ６４ ２ １ ）３０ ６ —６
静 压 气体 球轴 承是 空 间飞行 器 多 自由度仿 真 气 浮 台 的关 键 部件 之一 ｌ ］其 工 作原 理是 依 靠 压 １ ，
气 孔 直 径 ， 轴 承静 刚 度 特 性 影 响较 大 的 参 数 是 球 窝 外 包角 、 气 孔 包 角和 供 气孔 直径 。 通过 分 析 ， 出 了闭 对 供 给
式 气 体球 轴 承 几 何 参 数 的推 荐 取 值 范承 ； 面 节 流 ； 特 性 ； 静 环 静 参数 设 计