基于CFD静压气体轴承的仿真分析

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气体静压止推轴承静态性能的数值仿真与实验研究

ＰｅｆｒａｃｆＡｅｏｔｔｃＴｈｒｔＢｅｒｎｇｒｏｍｎｅｏｒｓａｉｕｓａｉｓ
ＷＵＤｉｇｈＴｏＪｚｏｎｎｚｕａｉｈｇ
（ｎｔｔｏｅｈｎａＭｎｆｔｎｅｈｏｇ，ｈａｃｄｍｎｉｅｒｇＰｙｉ，ａｙｎｉｕｎ２９０ＣｉａＩｉｅｆｃａｉｌａｕｃｒｇＴｃｎｌｙＣｉａｅｙｏＥｇｅｎｈｓｓＭｉａｇｅａ１，ｈ）ｓｔＭｕｃａｕｉｏｎＡｆｎｉｃｎＳｈ６０ｎ
气体静压止推轴承静态性能的数值仿真与实验研究
吴定柱陶继忠
（国工程物理研究院机械制造工艺研究所四川绵阳６１０中２９０）
摘要：应用Ｆｕｎ软件对小孔节流气体静压止推轴承进行了三维流场的模拟计算，分析了节流孔孔径、节流器工ｌｔｅ
ｗａｉｌｔｄｂｌｅｔｓｆｗａｅＴｅｅｆｃｆｔｅｄａｔｒｏｒｆｅｒｓｒｃｏ，ｗｏｋｎｒａｏｒｆｃｅｔｃｏｎｕ－ｓｓｍｕａｅｙＦｕｎｏｔｒ．ｈｆｅｔｏｉｍｅｅｆｏｉｃｅｔｔｒｈｉｉｒｉｇａｅｆｏｉｅｒｓｒｔｒａｄｓｐｉｉｐｙａｒｐｅｓｒｎｔｅｓａｉｅｆｒｎｅｏｅｏｔｔｈｓｅｒｎｓｗａｎｌｚｄ．Ｔｈｅｕｔｈｏｈｔｔｅｃｒｙｎａｌｉｒｓｕｅｏｈｔｔｃｐｒｏｍａｃｆａｒｓａｉｔｒｔｂａｉｇｓａａｙｅｃｕｅｒｓｌｓｓｗｔａｈａｒｉｇｃ — ｐｃｔｆｔｅａｒｓａｉｈｓｅｒｎｓｄｃｅｓｓｗｉｎｒａｉｇｔｅｄａｔｒｏｒｆｃｅｔｉｔｒ；ｗｉｍａｌｇｓｆｍｌａ — ａｉｏｈｅｏｔｔｃｔｒｔｂａｇｅｒａｅｔｉｃｅｓｎｈｉｍｅｅｆｏｉｅｒｓｒｃｏｙｕｉｈｉｔｓｌａｌｃｅｒｈｉａｃｎｅ，ｔｅｓｉｎｓｎｒａｅｔｎｒａｉｇｔｅｄａｔｒｏｒｆｃｅｔｉｔｒｈｔｆｅｓｉｃｅｓｓｗｉｉｃｅｓｎｈｉｍｅｅｆｏｉｅｒｓｒｃｏ，ｗｉｈｂｇｇｓｆｌｃｅｒｎｅ，ｔｅｓｉｎｓｎｆｈｉｔｉａｍｌａａｅｉｈｔｆｅｓｉ — ｆ

基于Fluent的孔式静压径向气体轴承承载性能分析

ａｅａｅｔｉｋｅｓａｄｔｅｄｃｅｓｆｏｆｅｎｍｂｒｖｒｇｈｃｎｓｎｈｅｒａｅｏｒｃｕｅ．ｉｉ
Ｋｅｒｓｉｅｔｎ；ｏｄｃｐｃｔｎｍｅｃｌｓｍｕａｉｎＦｕｎｙｗｏｄ：ａｒｂａｇｌａａａｉｉｙ；ｕｒａｉｌｔ；ｌｅｔｉｏ
气体轴承具有高速度、高旋转精度、零磨损和长寿命的优点，了满足高转速、为高精度机床的需
求，研究气体轴承具有重要意义。静压气体轴承在工程中应用广泛，其设计工作涉及的计算繁但
ｉｍｎｒｎｅｒｇｏａｅｈｆｌｅｔａｃｅｉｎｃｎｂａｄｅａｉｙｔｅＦｕｎｕｒａｉｌｔｎ，ｈａｉｔｎｏｅｌａａａｉｅｒｎｌｄｅｓｌｂｈｌｅｔｍｅｉｌｍｕａｉｙｎｃｓｏｔｅｖｒｉｆｔｄｃｐｃｔｏｂａ－ａｏｈｏｙｆｉｇｗｉｉｅｅｔｅｃｎｒｃｔｒｎｌｚｄｎｄｔｅｌａａａｉｆｔｅｂａｎｅｒａｅｗｉｈｎｒａｅｏａｌｎｔｄｆｒｎｃｅｔｉａｅａａｙｅ．ａｈｏｄｃｐｃｔｏｅｒｇｄｃｅｓｔｔｅｉｃｅｓｆｇｓｆｍｈｆｉｙｙｈｉｈｉ
摘要：于Ｆｕｎ软件建立了孔式静压径向气体轴承的三维实体计算模型，基ｌｅｔ并进行了数值模拟，分析了偏心率、节流孔数和气膜平均厚度对轴承承载力的影响。结果表明：用Ｆｕｎ数值模拟可以很方便地处理节流ｄ：应ｌｅｔ，Ｌｆ进入到气膜内区域的复杂流场流动，得到不同偏心率下轴承的承载力变化规律，且轴承的承载力随着气膜平均厚度的增大而减小，随着节流孔数的减少而减小。关键词：体轴承；气承载力；数值模拟；ｌｅｔＦｕｎ

基于Fluent的空气静压径向轴承动压效应的分析

和精度。空气静压轴承中低速工作时，表现为静压润滑状态，但空气静压轴承高速工作时，使原本静压空气轴承变为动静压混合空气轴承，现为动、压混合润滑状态，表静即动压效应［。１由于动压效应对轴承承载力影响］
文章编号：０８３８（０１Ｏ一Ｏ４一Ｏ１０ — ７２２１）４０３４
基于Ｆｕｎｌｅｔ的空气静压径向轴承动压效应的分析
李国芹，红新，艳梅岳郗
（北工程技术高等专科学校电力工程系，北沧州河河０１０）６０１
２１０１年ｌ２月第４期
河北工程技术高等专科学校学报ＪＯＵＲＮＡＬＯＦＨＥＥＮＧＩＥＩＢＩＥＮＥＲＮＧＡＮＤＴＥＨＮＣＯＬＥＣＩＡＬｃＬＧＥ
Ｄｅ．０１ｃ２１ＮＯ．４
的分析为动态分析，用解析法分析气体的压力分布情况、使求解压力的大小极其困难，加上计算过程要做再
一
些假设条件，而带来一些误差。ＦＵＥ从ＬＮＴ软件是一个用来模拟从不可压缩到可压缩范围内种复杂的流动和物理现象，采用不同的离散格式和数值方法，在特定的领域内使计算速度、稳定性和精度等方面达到最佳组合，从丽可以高效率的解决各个领域的复杂流动计算问题［。
４４
河
北
工
程
技术
高
等专
科
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静压止推气体轴承性能分析

计算流体力学在 20 世纪 80 年代取得了重大进展。在高速可压缩流动方面，基于总变差减小(Total Variation Diminishing，TVD)与矢通量分裂(Flux VectorSplitting)、通量差分分裂(Flux Difference Splitting)等方法的高精致格式 (High Resolution Scheme)终于较好地解决了流体力学的一大难题——跨、超音速计算的激波精确捕获。而采用传统的人工黏性方法的 Jameson 格式等在这方面也取得很大的成功。多重网格与残差光顺(Residual Smoothing)等加速收敛技术有效地减少了三维流动模拟的巨大计算工作量。而在低速不可压流动方面，利用人工可压缩性方法与压力校正法等对纳维尔-斯托克斯方程组的直接求解取代了局限性很大的流函数-涡量法等传统解法，从而也促进 CFD 技术向流体传热、多相流、燃烧与化学反应流等领域迅速扩展与深入。这些进展为通用 CFD 软件的发展奠定了良好的理论基础。计算流体力学按照求解的方程可以分为两大类，一类是求解传统的 NS 方程。另一类是近一二十年发展起来的方法。这类方法直接求解波耳兹曼方程，NS 方程可以看作是波耳兹曼方程在一定条件下进行统计平均的结果。波耳兹曼方程在微观尺度上按照概率统计的方法描述了流体微团的运动。这类方法的优势是，在低于 0.3 马赫数以下的计算中可以达到非常高的计算精度，所以被广泛的应用于汽车领域。但是，在超过 0.3 马赫数的问题中，其本身的理论基础不是十分成熟，限制了其在航空航天领域的应用。本文还是求解传统的 NS 方程。对于 NS 方程常用的离散方法有限体积法 (FVM)、有限元素法(FEM)、有限差分法(FDM)和谱方法等等。
计算流体力学和相关的计算传热学，计算燃烧学的原理是用数值方法求解非线性联立的质量、能量、组分、动量和自定义的标量的微分方程组，求解结果能预报流动、传热、传质、燃烧等过程的细节，并成为过程装置优化和放大定量设计的有力工具。计算流体力学的基本特征是数值模拟和计算机实验，它从基本物理定理出发，在很大程度上替代了耗资巨大的流体动力学实验设备，在科学研究和工程技术中产生巨大的影响。不但如此，计算流体力学还能够处理一些实验和理论分析都难以解决的问题。 NASA 曾经研究一种新型飞机(Aerospace Plane)，这种飞机将以 20 倍音速以上的速度飞行。因为这样的马赫数远远超过现在风洞的能力，所以无法使用风洞实验满足研究

基于fluent的气体止推轴承出口性能仿真与分析

ｅｔ对气膜出口处流域进行了仿真计算，采用层ｎ，并
图１所示，气体轴承由滑块本体和弹性薄板组该成，弹性薄板上的矩形跑道即为弹性均压槽，有含弹性均压槽的气体轴承可以显著提高轴承的刚度
及工作稳定性，。
ｃｍａｓｎｏｓｕａｏｓｌｆｈｅｌｍｏａｎｏｇａ，ｅ￣ｉａａｎｍｂｒｆｓｕｐｉｓｂｕｏｐｒｏｆｉｌｉｎｒｕｔｏｅｉａｓｏｔｗｌｄｒｕｈｗｌｖｒｎｔｔｕｅｓｍｔｎｏｔｉｍｔｅｓｔｄｈｌａｌｉｇｈｏａｏａ
ｔａｉｏａｕｒａｉｌｔｎｉｒｅｉｌｙｔｅｍｏｅｒｌｒａｏａｌ．ｒｄｔｎｌｎｍｅｃｌｓｍｕａｉｎｏｄｒｔｓｉｉｏｏｍｐｉｈｄｌａｅａｌｅｓｎｂｅｆ
Ｋｅｒｓａｅｒｇ；ａｌｏｇｎｓ；ａｎｒｆｗ；ｕｂｌｎｏｙｗｏｄ：ｇｓｂａｎｗｕｈｅｓｌｍｉａｏｔｒｕｅｔｗ；ｆｅｔｉｌｔｎｉｌｒｌｌｆｌｎｍｕａｉｕｓｏ！Ｑ二兰Ｚ源自轴承２１年４０２期
Ｃ１—１４／Ｂｅｒｎ０１Ｎｏ４Ｎ４１８ＴＨａｇ２２，．ｉ
基于ｆｅｔｌｎ的气体止推轴承出口性能仿真与分析ｕ
王莉娜，刘波，张君安
（西安工业大学机电工程学院，西安７０３）１０２
流和湍流模型进行对比。由于气体轴承的工作表面不可能绝对光滑，以在采用湍流模型仿真的所过程中，壁面粗糙度进行了设置，仿真结果更对使

多孔质气体静压轴承静态性能分析的开题报告

多孔质气体静压轴承静态性能分析的开题报告
1. 研究背景
多孔质气体静压轴承是一种高速运转下具有高精度与耐磨性的轴承，其在各种工业领域都有广泛应用，如石油机械、航空航天、机床等。

在气体静压轴承中，气体通
过孔隙和环道之间的缝隙进入轴承腔，形成静压力来支撑轴承。

因此，多孔质气体静
压轴承的性能受到孔隙结构和工况参数等因素的影响。

2. 研究目的
本文旨在对多孔质气体静压轴承的静态性能进行分析和研究。

具体包括以下方面：
（1）探究孔隙结构对轴承静压力的影响；
（2）研究多孔质气体静压轴承在不同工况参数下的静态性能；
（3）揭示多孔质气体静压轴承在高速旋转下的稳定性与可靠性。

3. 研究内容
（1）建立多孔质气体静压轴承的数学模型，包括孔隙结构和工况参数的影响因素，并根据连续方程、速度势方程、能量方程和状态方程分别建立轴承腔内的速度势场、温度场和气体密度分布等数学表达式。

（2）基于建立的数学模型，利用CFD软件进行仿真分析，研究孔隙结构和工况参数对轴承静压力的影响。

分析轴承静压力的分布规律、轴向载荷的变化以及各参数
之间的相互影响，形成静态性能的参数化模型。

（3）通过实验验证数学模型和仿真结果，探究多孔质气体静压轴承在高速旋转
下的稳定性和可靠性，并针对其缺陷或短板给出相应的优化建议。

4. 研究意义
研究多孔质气体静压轴承的静态性能对于提高其运转效率和稳定性具有重要的理论和实际意义。

本文的研究成果可以为工程实践提供有价值的参考和指导，对于轴承
的设计、制造和优化具有重要的技术指导作用。

基于fluent的高精度气体静压轴承性能分析

气体静压止推轴承为环形结构，本课题分别进行了气膜厚度 1 ～ 10μm 的承载特性仿真分析。首先在 GAMBIT 软件里建立多孔质气体静压止推轴承的三维模型并划分网格，如图 1 所示。为了计算方便，将多孔质材料部分和气膜部分分为两部分分别划分网格，其中多孔质材料部分每 2mm 设置
基金项目：国家科技重大专项“大口径平面快速抛光机床研制”(2017ZX04022001-202)；国防科工局基础产品创新计划车用动力科研专项 (DEDPZF)。
师 ,2016(11):74-77. [2] 航空弹射救生发射过程视景仿真技术研究 [D]. 中北大学 ,2015. [3] 冯卫权 . 某型飞机后椅启动时前椅弹射自动控制改进技术研究
[J]. 飞机设计 , 2016(1):68-73. [4] 关焕文 , 林贵平 , 宋文娟等 . 飞机救生爆炸切割冲击防护技术研
究 [J]. 火工品 ,2015(5):17-20. [5] 王炜 . 弹射救生技术的发展 [J]. 国际航空 ,2017. [6] 李锋 , 姚富宽 . 某型飞机弹射救生分离特性仿真 [J]. 飞机设
计 ,2016(1):61-67.
China 中国 Plant 设备
Research and Exploration 研究与探索·工艺与技术
基于 FLUENT 的高精度气体静压轴承性能分析
曹明琛 1，赵惠英 1，朱生根 2，赵凌宇 1，顾亚文 1，刘孟奇 3 （1. 西安交通大学机械工程学院，陕西西安 710049；
2. 哈尔滨工业大学机电工程学院，黑龙江哈尔滨 150001；3. 北京微纳精密机械有限公司，北京 101300）
124 中国设备工程 2019.12 ( 下 )

空气静压主轴-轴承微振动和稳定特性分析

空气静压主轴-轴承微振动和稳定特性分析空气静压主轴-轴承微振动和稳定特性分析摘要：空气静压主轴是现代高速加工领域中广泛应用的一种主要技术装备。

本文通过对空气静压主轴的微振动和稳定特性进行分析，探讨了提高主轴精度和稳定性的方法，为空气静压主轴的进一步优化提供了参考。

关键词：空气静压主轴、轴承、微振动、稳定特性、精度一、引言空气静压主轴是一种采用气体静压原理来实现轴承支撑的主轴装置。

与传统的机械轴承相比，空气静压主轴具有摩擦小、寿命长、噪音低等优点，特别适用于高速加工领域的需求。

然而，由于空气静压主轴的工作原理本身存在一定的不稳定性，会导致微振动的产生，进而影响主轴的精度和稳定性。

因此，对空气静压主轴的微振动和稳定特性进行分析，对提高主轴的加工精度和稳定性具有重要意义。

二、空气静压主轴的微振动机理空气静压主轴的微振动主要受到以下几个因素的影响：1. 气膜刚度不均匀性：由于气膜厚度在轴向和径向上的不均匀分布，会引起气膜刚度的不均匀性，从而导致主轴的微振动。

2. 气膜传递特性：空气静压主轴的传动介质是气体，具有一定的传递时滞特性。

当主轴受到外界扰动时，气膜的饱和时间和响应时间都会导致微振动的产生。

3. 轴承的动力特性：轴承的刚度和阻尼是影响主轴微振动的重要因素。

一般来说，刚性较高的轴承可以减小主轴的振动。

三、空气静压主轴的稳定特性分析空气静压主轴的稳定性是指主轴在工作过程中的振动情况，用来评估主轴的加工精度和稳定性。

主要通过以下几个方面进行分析：1. 动力学分析：通过分析主轴的动力学特性，可以得到主轴的固有频率和振型。

固有频率越高，主轴越稳定。

2. 振动测试：利用加速度传感器等测试设备对主轴的振动进行实时监测和分析，可以了解主轴在不同工况下的振动情况，从而进一步优化主轴结构。

3. 数值模拟：通过数值模拟方法，可以对主轴的传动特性进行仿真分析，包括气膜刚度、气膜响应时间等参数的变化对振动产生的影响。

四、提高空气静压主轴稳定性的方法为了提高空气静压主轴的稳定性和加工精度，可以采取以下方法：1. 优化气膜结构：通过改变气膜刚度和厚度的分布，提高气膜的均匀性，减小主轴的微振动。

空气静压轴承动态性能仿真研究

第3"卷第5期有色金属材料与工程NONFERROUS METAL MATERIALS AND ENGINEERING Vol.38 No.5 2017文章编号：2096-2983 (2017) 0*-0280-06D01：10.13258/ki.nm m e.2017.05.006空气静压轴承动态性能仿真研究王昊(上海理工大学能源与动力工程学院，上海200093)摘要：空气静压轴承具有较小摩擦、运转平稳、使用寿命长、回转精度高且无环境污染等优点.以孔式节流空气静压轴承作为研究对象，利用建模软件，建立孔式节流空气静压轴承三维实体计算模型.通过计算流体动力学（CFD)原理，对该模型网格划分后模拟仿真轴承在一定偏心率下的旋转状态，计算并得出气膜压力分布图，分析其在不同供气压强和不同旋转速度对轴承承载力的影响，并得出影响轴承承载力因素的变化曲线.研究结果对孔式节流空气静压轴承结构设计优化具有可靠性的指导意义.关键词：空气静压轴承％孔式节流％供气压强％旋转速度％承载力中图分类号：TH133 文献标志码：ADynamic Performance Simulation of Air Static Pressure BearingWANG Hao(School of Energy and Power Engineering，University of Shanghai for Science and Technology^ Shanghai 200093, China)A bstract：Air bearing has less friction than the other bearings. Moreover,it has a smooth opeservice life,high precision rotary and no environmental pollution, etc. In this paper, a three-dimens model is established to simulate the holes throttle air bearing. The model is meshed into the unstructuredgrid and the simulation results are obtained. Simulation results of bearing in rotating state is analyzed andstudied under the influence of gas pressure and rotating speed. The air film pressure dist aerostatic bearing is obtained based on the results of the CFD. Finally, the paper summarizes the influenceof the corresponding factors on the bearing capacity.Keywords：air static b earing；hole type throttle；inlet pressure；rotating speed；bearing capacity空气静压轴承利用空气作为润滑剂，从外界提供压缩空气，经过压缩的气体经节流孔进入轴承间隙，在主轴与轴承表面形成可压缩的气膜层，并起负载作用.由于空气黏度很低，摩擦力几乎不存在，因此空气轴承几乎消除了由摩擦力产生的阻力和磨损，所以更适用于高速和高精度设备.较之其他轴承具有较小摩擦、运转平稳、使用寿命长、回转精度高且无环境污染等优点.:2/，在航空、航天以及精密测量和超精密加工设备中得到广泛应用3.提供足够的承载力和稳定性的最关键的问题在于这些轴承的设计[4:7]，因此气体轴承已成为精密轴承的一个重要发展方向.近年来国内外对其进行了很多研究，段明德等[8]通过建立空气静压轴承三维模型，仿真分析旋收稿日期：2017-03 - 08作者简介：王昊（1990—），男，硕士研究生.研究方向：静压轴承.E-mail: 740320796@qq. com第5期王昊:空气静压轴承动态性能仿真研究281转工作状态的轴承，得出进气压力、轴承转速与气模厚度对空气轴承承载能力及需气量带来的影响' Zhu M等对超精密空气静压轴承的瞬态流动特性进行了研究.为了捕捉湍流结构和波动，利用L E S方法数值计算轴承间隙的瞬态流场，对轴承间隙涡结构和压力波动进行了分析.R enn等[17]研究空气静压轴承孔型节流器对质量流量特性的影响，并进行了一系列的模拟和试验.结果表明，通过孔口的质量流量特性与通过喷嘴的质量流量特性不同.空气静压轴承处于低转速工作时，表现为静压效应;但当轴承高速旋转工作时，由于摩擦有相对运动，故亦会产生动压效应.当动压效应达到一定程度时，轴承成为动静压混合轴承，由原本静压空气转变为动压静压混合空气轴承，变为动静压混合润滑工作.考虑到动静压混合状态空气流动情况，本研究使用计算流体动力学(CFD)的方法17:12，在数值模拟计算基础上分析动静压效应.通过数值模拟的方法求得比较精确的近似解，在实际工作时，空气在气体轴承间隙流动是较为复杂的三维流场，因此使用三维模型更容易得到精确的结果.其他研究一般地都没有考虑到节流孔进口处的压力分析.本文通过模拟得出了节流孔进口处压力分布图，并对其进行了分析，为空气轴承的性能设计优化提供有效指导.1孔式静压径向轴承的结构参数和理论分析节流管在空气静压轴承中是一个重要组成部分，有一定的阻抗，具有压力调节的作用.气体静压节流方式主要有小孔节流、多孔质节流、表面节流、毛细管节流和狭缝节流等[13]，其中小孔节流方式又分为简单孔式节流器和环形孔式节流器.本文采用环形双排孔节流孔布置.在轴承静止无工作状态时，因轴承自重和载荷 (总称为F)存在，转轴与轴承内表面紧密接触，无气膜存在.当工作时，这时压缩空气经节流孔逐渐进入轴承间隙，直到内部压力大于F时，转轴被气体浮起，气膜形成，形成气浮垫[14].当工作稳定时，转轴在气膜压力的支承下达到平衡.但因负载存在，使得其产生了一定的偏心量6,导致上下气膜表面压力不一样.负载变大时，下气膜厚度减小，气膜压力变大;而上气膜厚度增大时，气膜压力变小，此时上下气膜表面会形成压力差就是气膜承载力，用来平衡外部负载，使之内外压力平衡.提高静压气体轴承的刚度和承载能力是优化气体轴承性能的重要方法，多数由压缩的供气压力、轴承结构参数及气体的不同等因素确定.气体静压轴承结构主要参数见表1.表1空气静压轴承结构的主要参数Tab. 1 Main parameters o f aerostatic bearing structure几何特征参数值轴承直径/m m56轴承长度/m m80节流孔直径/mm2进口直径/mm4节流孔径向位置/mm15平均气模厚度/mm2节流孔数量/个12文献[8]对偏心率为0.1时的空气静压轴承做了一些相关研究.在文献[15]中偏心率为0.1〜0.6,研究并得出偏心率对承载力的影响结果:在一定范围内，承载力和偏心率构成线性关系，并且在偏心率为0.5时，研究分析并得出了详细的结论.本文取偏心率为0.3进行一系列的研究分析.通过计算轴承静态性能的近似公式[15]，对承载力性能进行近似的估算(在e e0. 3,且^e3的情况下）.()单个径向轴承的承载力根据公式：W+C j L D(p s - <@) (1)式中：：e0. 2,单排孔供气；：e 0. 25,双排孔供气L= 80mm;D= 60 mm;为环境压力，即标准大气压力；<〇为供气压力，<〇= 5.0 d105p a;：为载荷系数，它是轴承处于不同情况下，各参数确定后，可以承受的载荷与所能达的理论承载力之比.本文采用的是径向双排孔供气轴承，所以： e 0.25.由式(1)代入数据得W= 478 N.由于空气可被压缩，做出假设，空气在轴承中的状态为等温过程，空气静压轴承处于高速工作时，表现为动静压混合过程，轴承内气膜的压力P符合 Reynolds方程[16]:e1 - ecos_e_>282有色金属材料与工程2017年第38卷式中^为气体动力黏度；P为气膜压力；尺为轴承的半径为气体密度；、为轴承的平均气膜厚度;e为轴承的偏心率；U为轴承两相对表面的运动速度.Reynolds方程等式左侧为气膜压力变化参数，而等式右侧各项展开，会得到各种压力的各种效应.物理意义为：吵g，动压效应;M g，伸缩效应;隱|^，密度效应.除上述效应外，其中还存在其他效应:挤压效应，加热效应等都会在气膜上产生压力[17].所以，静压气体轴承为动静压混合轴承.2动压效应图1为空气静压轴承动压效应.当轴承工作时，因承载力W存在，旋转中心为〇2,偏心量为&当轴承绕轴高速旋转时，由于与空气摩擦力存在，气膜与轴接触的附面层空气将会随转轴一起旋转，在图1中X轴下，气模的流动状态是由气膜较薄的一侧流进，从气膜厚的一侧流出，该范围的气膜受力较小;X轴上，气膜层的流动状态是由气膜较厚一侧流进，从气膜薄的一侧流出.形成了由小变大的扩大楔形间隙和由大变小的收敛楔形间隙，满足动压效应形成的几何条件.故而轴承工作会有动压效应存在.图1空气静压轴承动压效应示意图Fig. 1Hydrodynamic effect of static pressure bearing 3静压轴承的模拟仿真3.1模型本文采用双排小孔节流空气径向轴承，节流管与轴承外壳为45°.本文主要研究气体经节流管进入轴承的空气状态.因此气体为主要对象，以气体建立气膜模型，采用SolidW orks建模软件，如图2 所示.图2气膜模型Fig. 2 M odel of air film3.2网格划分轴承工作时，高压气体通过45°倾角的供气管进入到节流管时，横截面发生了突变，因此高压气体在流经节流突变口时，使得速度与压力变化幅度较大.因此在此处进行了网格加密，相对其他区域较密集，如图3所示.图3气膜网格Fig. 3 Mesh of air film3.3数值模拟网格划分完，导入到FLUENT计算，求解器设置为基于压力的求解器(Pressure Based)，采用可实现性Realizable fc ：'模型•此模型与标准fc ：'模型、重整化群RNG fc:'模型相比，优点是可以在雷诺应力上保持与真实湍流的一致，可以更准确地模拟平面和圆形射流的扩散速度;在旋转计算、带方向压强梯度的边界层计算和分离流计算等问题中，计算更符合实际情况;针对分离流计算和带二次流的复杂流动计算也较为准确.本研究进出口为压力边界条件，轴承内表面设置为旋转面，选用非平衡壁面函数，采用SIMPLEC算法收敛计算.第5期王昊:空气静压轴承动态性能仿真研究2833.4仿真结果轴承工作时，压缩气体经节流孔进入轴承间隙，一部分沿着轴向流向两端和中间，在中间会形成相对稳定的压力区;轴承气膜内膜面，由于气体存在黏性，气膜层会随着壁面的旋转而转动，旋转方向与轴承旋转方向一致.空气静压轴承的供气压力、偏心率、轴承旋转速度、轴承的结构参数和气体性质等因素均会影响气体在轴承内的流动状态特性，进而影响到轴承工作状态特性.本文主要针对偏心率为7 3时，研究分析供气压力和轴承旋转速度对轴承承载力的影响规律.进口压力0.5M Pa 压缩空气，均以45°进气，出口压力均为大气压力•由图4(@)〜(d )可以看出，压缩气体经45°节流管节流，压力下降.由节流孔进入轴承时，在节流管进口右侧形成了一个低压区，并随着顺时针方向压力逐渐升高，而不同轴承转速对压力分布具有一定的一致性，即旋转速度对压力影响很小，见图4.(a )进气压强0.5 M P a ，转速5 000 r/m in (b )进气压强0.5 M P a ，转速30 000 r/m in(c )进气压强0.5 M P a ，转速60 000r/m in (d )进气压强0.5 M P a ，转速 100 000 r/m in图4供气压力和轴承旋转速度对轴承承载力影响Fig. 4 Influence of gas supply pressure and bearing rotation speed on the bearing capacity of the bearing is studied轴承工作时，供气孔、节流孔和轴承气膜外圆柱表面与轴承固定接触，轴承固定.轴承气膜内圆柱表面与轴颈接触，轴颈以一定的速度旋转.在偏心率为0.3,旋转速度为5 000 r /m in 的条件下，分析不同进气压力下的轴承气膜内表面压力分布.由图5可知，一定转速情况下，轴承气膜压强随着进气压强的增加承载力增加，且压力分布更加均勻.通过气膜压力分布可对气膜压强积分计算得出气膜压力合力，即轴承承载力W •在不同工况下积分所得承载力不同，以此得出了不同进气压强和转速与承载力的关系.由图6(a )可知，在偏心率为0. 3,进气压强为 0.5 M Pa 时，轴承的承载力在该气膜厚度下，在转速的逐渐提高下，承载力静压成平稳状态，由静压与总IE 1lizippii iP K19187654321G -1-2284有色金属材料与工程2017年第38卷压图可知轴承动压效应随转速的增大逐渐减小.由图6(b )可知，在偏心率为0. 3,旋转速度为5 000 r /min 时，在不同供气压力下，轴承的承载力随着供气压强的增加而增加，动压效应越明显，见图6.(a )进气压力为0.2 M Pa ，旋转速度5 000 r/m in (b )进气压力为0.3 M Pa ，旋转速度5 000 r/m in(e )进气压力为0.6 M Pa ，旋转速度5 000 /m in (f )进气压力为0.7 M Pa ，旋转速度5 000 r/m in图*不同进气压力条件轴承气膜内表面压力分布Fig. * Pressure distribution of the bearing gas film4结论本文利用有限元数值模拟，研究分析在一定偏心率下，对空气静压轴承旋转工作时进行模拟计算，得出结论:压缩气体经节流孔进入轴承时，在节流孔右侧形成了一个低压区，顺时针方向压力逐渐升高，轴承转速对压力分布影响很小.轴承的承载力在一定气膜厚度和进气压强下，随转速逐渐提高，承载力逐渐下降，成下降趋势.轴承承载力随着进气压强的第5期王昊:空气静压轴承动态性能仿真研究2850 20 000 40 000 60 000 80 000 100 000循环速度/ 〇m in _^(a )不同转速对承载力的影响曲线0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7冲击压力/M P a(b )不同供气压强对承载力的影响曲线图$不同因素对承载力的影响曲线Fig. 6 Graph is different factors impacton the bearing capacity增大成非线性增大，动压也随着压强增大而增大，动压变得更明显.一定旋转速度下，随着进气压强的增大，压力分布越均勻，越适合轴承高效稳定的工作.研究结果为孔式节流空气静压轴承结构设计优化和在相关工程中的应用提供可靠性的指导及技术支撑.参考文献：[1 /王元勋，陈尔昌，师汉民，等.气体润滑轴承的研究与发展[J ].湖北工业大学学报，1994(3) : 155 : 159.[2 /孙立佳，孙淑凤，张华涛，等.静压轴径轴承静态特性的数值模拟分析[J ].低温与超导，2010,38⑴:56 ： 7[3] LIN W J,KHAIAIT J P , LIN W , et al . 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环形进气锥腔结构静压气体轴承性能研究

环形进气锥腔结构静压气体轴承性能研究论文摘要:环形进气锥腔结构静压气体轴承是一种重要的气体轴承结构。

本论文主要研究了该结构的性能,并通过仿真分析得出了优化方案。

研究表明,进气锥腔的设计对轴承性能有重要影响,适当的压力与结构参数可提高轴承的刚度和负载能力。

第一章引言本文主要研究环形进气锥腔结构静压气体轴承的性能。

气体轴承是用高压空气或气体为轴承提供支撑力,减少摩擦和磨损的一种轴承方式。

第二章相关理论本章主要介绍了静压气体轴承的原理、工作特点以及常见的气体轴承结构。

其中包括径向气体轴承、角接触气体轴承、永磁悬浮轴承等,对于环形进气锥腔结构静压气体轴承的设计提供了参考。

第三章环形进气锥腔结构轴承设计本章主要介绍了环形进气锥腔结构静压气体轴承的设计过程。

通过数值模拟和实验验证,确定了不同进气锥腔结构下轴承的性能差异,进而确定了最优化的进气锥腔结构参数。

第四章仿真分析与数据处理本章主要介绍了使用AN S Y S软件对轴承性能进行的数值仿真及数据处理。

通过不同进气锥角转动等条件下的应力分布,验证了轴承运行的稳定性。

第五章结果与讨论本章主要通过仿真分析数据对环形进气锥腔结构静压气体轴承的性能进行了定量的分析。

研究表明,环形进气锥腔结构的设计对轴承的刚度和负载能力有着重要影响。

优化的进气锥角能够提高轴承的刚度和负载能力,同时也能减小轴承的载荷。

第六章结论与展望本章主要结合前述研究结果,提出了对于环形进气锥腔结构静压气体轴承未来的研究展望。

其中包括进一步优化设计、加强应用领域扩展等方面。

最终得出了环形进气锥腔结构静压气体轴承具有较高的稳定性和负载能力,可以在机械制造、航空航天等领域有广泛的应用前景。

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International Journal of Fluid Dynamics 流体动力学, 2018, 6(3), 62-68 Published Online September 2018 in Hans. /journal/ijfd https:///10.12677/ijfd.2018.63008
7. 计算结果分析
图 3 是稳态湍流模拟(Realizable K-ε)在偏心率 ε = 0.3，在圆周方向 90˚处压力、马赫数分布图和流线图，图 3(a)是压力分布图和流线图，发现在小孔深度方向气体是属于层流状态，在小孔与气膜连接处的环形区域内存在明显的回流现象，所以存在湍流的作用，同时可以看出在小孔附近的回旋比较明显，在远离小孔的方向上回旋现象逐渐衰减，最后在连接气膜区域的地方逐渐变成层流的趋势，说明了气体轴承流场的回旋的主要区域是小孔节流的环形区域，同时在小孔节流附近出现了压力减小的现象，而这种现象对气体轴承的稳定和承载性有很大的影响，图 3(b)是在小孔节流处的马赫数和流线的变化情况，马赫数变化可以直接影响激波的产生和衰减，从图中可以看出在小孔附近的区域变化较为明显，同时靠近下壁面区域的马赫数变化尤为显著，而马赫数的变化情况主要取决于速度梯度的变化。图 4 是稳态湍流模拟(Realizable K-ε)在圆周 306˚位置处偏心率 ε = 0.3 时，节流孔附近的压力图，马赫数图以及流线图，在图中可以看出压力和马赫数分布与图 3 大致一样，在小孔内部和远离环形区域仍然是属于层流的流线状态，在环形区域内发生复杂的回旋现象，同时在可以看出在环形腔内的流线与图 3 相比有了很大的变化，在环形区域边缘的流线回旋变大，出现了大漩涡的现象，而且漩涡主要是分布在环形区域的上表面，与图 3 相比，气膜区域内整体压力减小，同时在节流孔附近减小得较为明显，在图 4(b)中的马赫数变化情况也发生了较大的变化，马赫数变化范围变大，同时大于 1，说明在气膜间隙较大的小孔节流处附近气体的流速变化较大，产生了超音速现象，这个变化主要出现在靠近旋转面的一边，远离于轴承的上表面区域，这主要是因为这个位置的节流孔是偏心远离的位置，导致了气膜间隙变大，由于气膜间隙变大，气体在间隙的流阻变小，则气体在节流口处的扩张速率变大。图 5 是通过 CFD 计算得到的静压气体轴承的承载力在不同的转速，不同偏心率的情况下的承载力变化图，从图中可以看出，随着转速的不断增加，静压气体轴承的承载力是不断增加，对于高转下静压气体轴承相对于无转速的静压气体轴承，其承载力有明显的不同，因此在分析静压气体轴承时转速对其影响是不可能忽略的。图 6 是不同偏心率下纯静压和转速为 100,000 rpm 小孔节流处的压力分布，从图中可以明显的看出，随着偏心率和转速的变大，压力分布出现了分布不均匀的现象，以 90˚为对称轴，压力在两边出现了一边凸出，一边凹陷的分布，导致了压力分布不平衡，这种原因是因为气体有一定的粘性，会产生一定的挤压现象，而这种挤压现象就是静压气体轴承的动压效应。霍彩娇[12]通过研究名义间隙和供气压力等对轴
4. 网格划分
在模型建立完后对模型进行网格划分，由于气膜区域内的间隙很小，同时轴承是属于旋转体，所以整个网格的扭曲率较大；同时由于在气膜区域的结构变化较大，因此导致流场变化也很大，为了整体达到比较好的网格质量和 FLUENT 求解计算中更加容易收敛，需要在流速变化较大的区域进行网格划分时进行网格加密，如图 2(a)中，对流速变化较大的小孔节流区域需要进行局部网格加密，同时对模型需要进行分块划分网格划分处理，将模型分为 10 个主要区域如图 2(b)，使远离节流孔处的区域能划出规则的八面体网格。
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Abstract
The 3-D internal flow field of aerostatic bearing is numerically simulated and analyzed by using CFD fluid calculation software. In the calculation, the calculation model of turbulence (Realizable K-ε) is used. The calculation results are used to analyze the performance of the static pressure bearing of the gas. It is concluded that the bearing capacity increases obviously with the increase of the speed. The turbulent effect near the throttle hole is obvious, and the flow field away from the throttle hole is gradually restored to the laminar flow. At the same time, the pressure and Maher number of the section near the throttle hole are analyzed, and the results are obtained. The supersonic phenomenon exists near the throttle hole, which has a certain influence on the stability of the bearing, and through the pressure distribution near the throttle hole and the relationship between the bearing capacity and the speed, the influence of the speed on the static characteristics of the static pressure bearing can not be ignored.
ห้องสมุดไป่ตู้
Simulation Analysis of Static Pressure Gas Bearing Based on CFD
Chou Fan, Shanghan Gao, Zhuang Ni
School of Mechanical Engineering, Guangxi University of Science and Technology, Liuzhou Guangxi Received: Aug. 26 , 2018; accepted: Sep. 12 , 2018; published: Sep. 19 , 2018
Open Access
1. 前言
气体轴承是一种以气体为润滑介质的轴承，由供气压力使气体轴承旋转部分和静止部分分离，实现了摩擦系数较小，转速高，无污染等特征。同时随着计算机的发展和软件的不断更新，对气体轴承的分析已经不同与以往繁琐的程序编译计算，现在通过 CFD 流体计算软件对气体轴承进行模拟分析已经越来越方便和普遍[1] [2]。对静压气体轴承的 CFD 研究目前都是处于对轴承的承载性以及压力分布大小进行研究；于贺春[3] 通过 CFD 分析了承载力与偏心的变化关系，利用转速对轴承的影响分析了转速与承载力的变化情况，同时黄首峰[4]利用 FLUENT 对滑动轴承的油膜压力和承载特性进行了分析。郑茂建[5]通过 CFD 计算软件为基础，对不同结构的静压气体轴承的回转精度进行了系统的分析；饶河清[6]和孙雅洲[7]对多孔介质的静压气体轴承仿真，得出了多孔介质气体轴承的静特性性能。同时对于气体的可压缩性，以及流场内部的变化情况，Mori [8]和龙威[9] [10]通过对止推轴承节流孔附近的流场变化情况，分析了流场区域内的冲击波；同时李运堂[11]通过大涡模拟分析了止推轴承的振动特性。本文将采用三维建模方法，对模型进行有限元计算，通过求解 Naver-Stokes 方程，创新性地结合了压力以及马赫数的分布规律来分析气体静压轴承的静特性和节流孔附近的流场变化情况。
Figure 1. The model of gas basin and the position of throttle hole 图 1. 气体流域模型及节流孔位置
Figure 2. Schematic diagram of a computational fluid region 图 2. 计算流体区域示意图 DOI: 10.12677/ijfd.2018.63008 64 流体动力学
Keywords
Aerostatic Bearing, Flow Field, Turbulence Model, Bearing Capacity, Maher Number
基于CFD静压气体轴承的仿真分析
范酬，高尚晗，倪壮
广西科技大学机械学院，广西柳州
收稿日期：2018年8月26日；录用日期：2018年9月12日；发布日期：2018年9月19日
∂ ( pui ) ∂u ∂p ρ hui ) + τ ij i (= ∂xi ∂xi ∂x j
DOI: 10.12677/ijfd.2018.63008 63
(3)
流体动力学
范酬等
(3)是能量守恒方程
τ ij = η
∂u ∂u j 2 ∂u i + − η i δ ij 3 ∂xi ∂ ∂ x x j i
(4)
运用质量守恒方程和能量守恒方程，可以有效保证在气膜内部的质量平衡，这是研究物理性质的基本定律，同时利用守恒方程可以有效的使计算结果的平滑性和连续性，由于超音速在计算过程中会出现振荡现象，所以运用守恒方程对分析超音速等冲击波有较好的结果。
3. 建立模型
基本结构参数，轴承直径 D = 30 mm，长度 L = 30 mm，气膜厚度 h = 20 μm，节流孔到轴承两端距离 l = 7.5 mm，节流孔直径 d0 = 0.2 mm，截流腔直径 d1 = 0.8 mm，深度 h1 = 0.1 mm，利用 Gambit 建立气体轴承流体区域的三维模型，如图 1 所示，同时通过自定设置偏心率，其中偏心是沿着 90˚节流孔方向，建立不同偏心率下的气体轴承模型，通过建立不同偏心率的气体轴承流体域的三维模型进行数值模拟计算分析。