径向空气轴承压力场的数值分析

小孔节流结构对径向静压空气轴承承载力的影响姚涓;侯安平;李剑雄【摘要】A calculation model of orifice restrict radial aerostatic bearing was established.The ANSYS CFX software was used to calculate the load capacity of radial aerostatic bearing, and the accuracy of numerical calculation was verified through experiments.The law of the effect of the orifice diameter,pocket diameter and pocket depth on the load capacity of radial aerostatic bearing was analyzed.Results indicate that the method of calculating load capacity of radial aerostatic bear⁃ing through CFX numerical simulation is feasible,and the complex gas flow in the orifice structure can be analyzed effec⁃tively.The changes of orifice structure have a large effect on load capacity,with the increasing of orifice diameter,the load capacity is firstly increased and then decreased,and the load capacityis firstly increased,and then remains stable by in⁃creasing both the pocket diameter and the pocket depth.%建立小孔节流径向静压空气轴承的计算模型，利用ANSYS CFX软件数值模拟方法计算轴承承载力，并通过实验验证数值计算的准确性；分析节流孔径、节流气腔直径和气腔深度对轴承承载力的影响规律。

Vol. 55 No. 5May2021第55卷第5期2021年5月西安交通大学学报JOURNAL OF XI'AN JIAOTONG UNIVERSITY径向流体支点可倾瓦轴承润滑特性分析王晓红S 常山S 裴世源"#.中国船舶集团有限公司第703研究所,150036,哈尔滨；2.西安交通大学现代设计及转子轴承系统教育部重点实验室，710049,西安）摘要：针对径向流体支点可倾瓦轴承结构复杂、瓦块浮动状态难以预测的问题，提出了内层动压油 膜和外层静压油膜相互耦合的润滑分析模型与求解方法％对比分析了不同工况下传统固定瓦轴 承、机械支点可倾瓦轴承和流体支点可倾瓦轴承的润滑特性，发现流体支点可倾瓦轴承的膜厚、膜 压、膜温等关键静特性参数均优于传统固定瓦轴承和机械支点可倾瓦轴承；直接刚度和直接阻尼等动特性参数高于传统轴承约一个数量级，故其可显著提升轴承安全性和转子系统的稳定性；在某些工况下瓦块存在两个平衡状态，可能导致瓦块浮动状态和轴承润滑性能发生突变％研究结果可为设计高可靠性流体支点可倾瓦轴承提供一定的参考％关键词：流体支点可倾瓦轴承；润滑理论；动静压耦合；浮动状态中图分类号：TH133. 31 文献标志码：ADOI ： 10. 7652/xjtuxb202105008 文章编号：0253-987X （2021）05-0065-08Analysis on Lubrication Performance of Fluid PivotTilting Pad Journal BearingsOSID 码WANG Xiaohong 1, CHANG Shan 1, PEI Shiyuan 2(1.No.703ResearchInstituteofChinaStateShipbuildingCorporationLimited &Harbin150036&China '2.KeyLaboratory of Education Ministry for Modern Design and Rotor-Bearing System, Xi'an Jiaotong University , Xi'an 710049, China)Abstract ： Tosolvetheproblem of pads floating state prediction of the fluid pivot tilting padjournal bearing & a lubrication analysis model considering the coupling effects of innerhydrodynamicfilm and outer hydrostatic film wasproposed.Thelubricationcharacteristicsoftraditionalfixed pad bearing , mechanicalpivottilting pad bearing and fluid pivottilting pad bearing under di f erent working conditions were compared. The results show that static characteristicsofthefluidpivottiltingpadbearing , suchasthefilmthickness ,filmpressureandfilmtemperature , are be t er than that of the traditional fixed pad and tilting pad bearings. Moreover , the direct sti f ness and damping are about an orderof magnitude higher than the traditionalbearings.Therefore , fluid pivottilting pad bearing can significantlyimprovethebearing safety and the stability of rotor system. However , pads may suffer two equilibrium states under certain working conditionF &which wi l reFultinunFtableworkingFtateandFuddenchangeofbearingperformance.ThiFwork mayprovidereferencefordeFigningthefluidpivottiltingpad journalbearingF.Keywords ： fluidpivottilting-padbearing 'lubricationtheory 'preFFurecoupling 'floatingFtate收稿日期：2020-12-12o 作者简介：王晓红（1983—）,女，高级工程师；裴世源（通信作者），男，副研究员。

航空发动机风扇叶尖径向间隙数值分析张丽华【摘要】Using the method of fluid-solid-heat interaction and considering the influence of centrifugal load, temperature load and pneumatic load, the tip clearance numerical analysis of an engine fan was done. The fan flow field, stress and deformation of fan and casing and the variation range of fan tip clearance at three typical states were attained. And tip radial clearance distribution was also obtained by overlapping the deformation of rotor and casing. The computational results show that at the states of design point and the greatest rotational velocity point, the blade tip may rub up the casing but at the state of the greatest tempera-ture load there is clearance between the blade tip and casing. This may affect the efficiency of fan at this state and it needs to be considered in the follow-up design.%采用流-固-热耦合计算方法，综合考虑离心载荷、温度载荷和气动载荷影响，对某改型发动机的风扇转子和风扇机匣进行数值分析，获得了发动机三个典型状态点下，风扇转子和风扇机匣的压力、温度及结构变形分布；通过对风扇转子和风扇机匣两者变形的叠加，获得了风扇叶尖径向间隙分布。

基于FLUENT的气体静压轴承数值仿真与实验研究吴定柱;陶继忠【摘要】应用基于有限体积法的计算流体动力学软件FLUENT进行数值模拟,对影响气体静压止推轴承静态性能的相关因素进行了分析研究,并给出了相应的变化曲线.在自行研制的实验平台上进行气体静压实验,实验与数值模拟计算的结果取得了较好的一致性,证明了将该方法应用在气体润滑领域的可行性,也为进一步改进小孔节流气体静压止推轴承的设计和改善、提高其性能提供了理论依据.【期刊名称】《机械设计与制造》【年(卷),期】2010(000)005【总页数】2页(P150-151)【关键词】空气静压轴承;有限体积法;静态特性【作者】吴定柱;陶继忠【作者单位】中国工程物理研究院,机械制造工艺研究所,绵阳,621900;中国工程物理研究院,机械制造工艺研究所,绵阳,621900【正文语种】中文【中图分类】TH117.21 引言气体静压轴承采用气体作为润滑介质，在轴承的活动面与静止面之间构成气膜，产生承载力，使二者避免接触，具有精度高、无磨损和寿命长的优点。

基于气体静压轴承的以上优点，其在精密工程、超精密工程、微细工程、空间技术、电子精密仪器、医疗器械及核子工程等领域中，有着十分广阔的应用[1][2]。

本文应用基于有限体积法的计算流体动力学软件FLUENT，对气体静压圆盘止推轴承内部流体的流动进行数值计算，给出了轴承的结构尺寸、供气压力等因素对气体静压轴承承载力和静态刚度的影响关系。

在自行研制的实验台上进行气体静压止推轴承实验，由此得到轴承的静态性能。

实验结果和理论计算之间的吻合良好，从而说明数值模拟的可行性。

2 数学模型的建立气体静压止推轴承结构，如图1 所示。

图1 小孔节流圆盘止推气体静压轴承当供气源气体压力为Ps时，气体经过节流孔后产生压降，在节流小孔与气膜间隙过度处压力降至Pd，然后沿着气膜间隙向外流动，在出口处压力为环境压力Pa。

由于空气静压止推轴承的两润滑面通常都是金属，轴承工作过程中产生的热量绝大部分随气体排出或由金属传递出去，故气体润滑过程可看成等温过程[4]。

基于FLUENT的径向静压气体轴承的静态特性研究于贺春;马文琦;王祖温;徐立芳【期刊名称】《润滑与密封》【年(卷),期】2009(034)012【摘要】以径向静压气体轴承为研究对象,研究动压效应及偏心率对轴承静态特性的影响,采用三维建模,结构化和非结构化网格相结合,运用有限体积法对三维稳态可压缩N-S方程进行求解.结果表明:承载能力随着偏心率的增大而增大;大偏心率高转速时,动压效应对承载能力的影响不可以忽略;大偏心率时,随着转速增加,沿旋转方向,最小气膜间隙处的压力分布不断增大;当转子静止时,刚度随偏心率的增大而先增大后减小;高转速时,刚度随偏心率增加而增加;计算结果与试验结果的对比表明该计算方法能够有效进行径向静压气体轴承流场特性分析.【总页数】5页(P77-81)【作者】于贺春;马文琦;王祖温;徐立芳【作者单位】大连海事大学交通与物流工程学院,辽宁大连,116026;大连海事大学交通与物流工程学院,辽宁大连,116026;大连海事大学交通与物流工程学院,辽宁大连,116026;大连海事大学交通与物流工程学院,辽宁大连,116026【正文语种】中文【中图分类】TG133.36【相关文献】1.基于FLUENT的小孔深浅腔动静压气体轴承静特性研究 [J], 李树森;潘春阳2.单狭缝节流径向静压气体轴承的静态特性研究 [J], 于贺春;李欢欢;胡居伟;张国庆;马文琦;赵则祥3.基于ANSYS-FLUENT的高精密液体静压径向轴承动静态特性研究 [J], 赵春明;马平;龚乘龙;牛兴4.基于Matlab的径向小孔节流静压气体轴承静态特性分析 [J], 李树森;元月;王也5.新型径向槽结构静压气体轴承静态特性研究 [J], 于普良; 胡江山; 李双; 秦丽; 黄千稳; 严迪因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。

高速空气静压主轴承性能分析Cheng-Ying Lo ,Cheng-Chi W ang ,Yu-Han Lee摘要：气动轴承设计的问题的解决方法是先压力分布和轴承轮转方向的精确度。

目前，本文研究出了一个详细的理论分析轴承性能的方法，其中气动轴承最初是由无量纲简化的纳维——斯托克斯方程的形式来表达。

利用轴承之间的间隙和孔口中的质量连续流动的假设，可以推导出非线性无量纲雷诺方程，然后利用牛顿方法进行离散。

最后，修改后的雷诺方程可以利用循环迭代的方法来解决。

目前的数值模型可以有效的油膜压力分布，摩擦力影响，承载能力，刚度，润滑气体流量，和静止状态偏心率和动态气动轴承压力包括高偏心率部分，高速非圆形线部分，推力轴承，滑块轴承等内容的分析。

这个被使用的分析模型提供了宝贵的分析方式来研究高精度的静态和动态旋转的气体轴承的性能，并使其成为可以得到的最优化设计。

1．简介气体轴承的特点是旋转时低噪音和低摩擦损失。

因此，它们经常被应用于各种精密仪器中，在空负荷高速电动马达驱动的情况下，它们产生摩擦量为零。

相比于传统的油轴承，气体轴承具有产生的热量低，少污染，和较高的精度的优点。

然而，它们的主要缺点是，它们的运行往往相当不稳定，这往往限制其允许使用的范围。

1961年，格罗斯和扎克[1]首先开发，并应用了微扰的方法来解决：稳定，自行形成，可认为无限长的平面楔形油膜问题。

使用的这种微扰的方法可以有效的分析所有的几何参数范围，并得到高度精确的结果。

1975年，马宗达[2]提出一种理论方法，考虑到三维流多孔材料对轴承的影响，推导出稳态固定和旋转性能特点。

我们知道气动轴承的主要承载能力受气膜的空气动力学影响，其中气膜的刚度，阻尼系数，和稳定的范围值是主要的影响参数。

多数的轴承设计都是为了运转稳定，因此需要掌握最基本的有关稳定性的知识。

所以，马宗达[3]构建了一个多孔矩形的推力轴承，在外部施压，利用可压缩润滑液的条件下的理论模型。

多孔质气体静压径向轴承的Fluent仿真与实验研究张卫艳;林彬;张晓峰【摘要】多孔质气体静压轴承相比传统的小孔节流轴承具有更高的承载能力,更好的稳定性及便于加工等优点.应用基于有限体积法的软件Fluent分析偏心率、多孔质材料渗透率、轴承长径比和平均气膜厚度等关键因素对多孔质径向轴承静态性能的影响,分析结果显示,在给定轴承平均气膜厚度的情况下,存在最佳的渗透率区间使得承载能力最大,增加轴承长径比和减小平均气膜厚度均可以提高多孔质径向轴承的承载能力及刚度,但需要根据加工装配工艺要求及实际工况选择合适的参数.设计制造中心供气新形式的多孔质径向轴承,通过仿真得到气膜间隙的压力分布及承载能力,并通过实验验证仿真结果的正确性.仿真和实验结果表明,该结构形式的多孔质径向轴承承载性能优良.%Compared with conventional orifice air bearing,porous aerostatic bearings possess many advantages such as higher load capacity,better stability and manufacturing convenience.The effect of the key factors such as eccentricity,porous material permeability,bearing aspect ratio and average film thickness on the static performance of porous aerostatic bearings were analyzed with the commercial software Fluent which was based on finite volume method.The analysis results show that,there is an optimum permeability interval which can make the load capacity maximum under a certain average film thickness.The load capacity and stiffness of the porous air journal bearing can be improved by increasing the bearing aspect ratio and reducing the average film thickness.However,the parameters need to be carefully chosen by taking the requirements of manufacture,assembly and workingcondition into consideration.New form of centrally air supply porous journal bearing was designed and fabricated,the pressure distribution of gas film was obtained and load capacity was calculated.The validity of simulation results was verified by static performance experiment.The results of simulation and experiment indicate that the porous journal bearing with this structttral form has excellent performance.【期刊名称】《润滑与密封》【年(卷),期】2018(043)003【总页数】8页(P23-30)【关键词】多孔质径向轴承;渗透率;Fluent仿真;静态性能【作者】张卫艳;林彬;张晓峰【作者单位】天津大学先进陶瓷与加工技术教育部重点实验室天津300354;天津大学先进陶瓷与加工技术教育部重点实验室天津300354;天津大学先进陶瓷与加工技术教育部重点实验室天津300354【正文语种】中文【中图分类】TH133多孔质气体静压轴承是一种轴承工作表面随机地分布着无数微小供气孔的气体轴承，将采用粉末冶金方法制备出的多孔质材料作为静压气体轴承的节流器，可以获得比小孔节流轴承更高的承载能力及良好的阻尼特性及稳定性[1]。

动压径向滑动轴承油膜特性的数值计算田奇勇;黄文俊;饶杰;朱晓农;王贤震【摘要】传统轴承参数计算方法是利用已有的宽径比下轴承静动态参数的图表,假定轴承工作平均温度,按所选润滑油确定油的粘度和已知的轴承尺寸和运转参数,计算出轴承承载量系数Fˉm,再由Fˉm和轴承宽径比按已知的图表插值求得轴承工作状态下的各参数值,这种计算方法不方便且有较大误差.本文基于有限差分法,采用MATLAB编程计算,对已知外载荷和宽径比的实际轴承直接求解完整二维流动Reynolds方程,得到油膜厚度和油膜压力分布.以某动压径向轴承为例,采用本文方法计算实际轴承参数,取得较好的计算精度.该方法有助于提高动压滑动轴承的设计质量,为轴承故障诊断提供了一种可行的途径.【期刊名称】《风机技术》【年(卷),期】2018(060)001【总页数】4页(P44-47)【关键词】径向滑动轴承;油膜压力;有限差分法;数值计算【作者】田奇勇;黄文俊;饶杰;朱晓农;王贤震【作者单位】合肥通用机械研究院;合肥通用机械研究院;合肥通用机械研究院;合肥通用机械研究院;安徽安风风机有限公司【正文语种】中文【中图分类】TH133;TH1370 引言流体动压滑动轴承承载能力强、运行平稳、抗振性好、寿命长，广泛应用于压缩机、汽轮机、离心机等设备。

根据流体动压润滑理论，影响滑动轴承油膜压力分布的参数主要有轴承宽径比、相对间隙、径向载荷、润滑油工作温度和主轴转速等。

传统的轴承参数计算方法是利用已有的宽径比的轴承静动态参数，首先假定平均工作温度，按所选润滑油确定粘度，并根据已知的轴承尺寸和运转参数，计算出轴承承载量系数，再结合轴承宽径比按已知的图表插值求得轴承工作状态下的各参数值，这种方法不太方便且有较大误差。

本文采用有限差分法对液体动压滑动轴承的静态参数进行计算，编制出通用性较强的实用计算程序，以代替传统的图表计算，缩短了设计周期，提高了设计效率，对流体动压滑动轴承的设计及故障诊断均具有较大帮助。

大连理工大学学位论文独创性声明作者郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下进行研究工作所取得的成果。

尽我所知，除文中已经注明引用内容和致谢的地方外，本论文不包含其他个人或集体已经发表的研究成果，也不包含其他已申请学位或其他用途使用过的成果。

与我一同工作的同志对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。

若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。

学位论文题目：波箔式动压气体轴承特性的数值模拟作者签名：日期：2020年6月5日大连理工大学硕士学位论文摘要波箔式动压气体轴承是一种具有广阔应用前景的新型轴承，已在许多高速旋转机械中得到应用，如汽车涡轮增压器、透平膨胀机、飞机空气循环系统等。

然而，这些应用产品的设计主要还依赖于实验分析，导致开发周期和开发成本较高，不利于产品的升级换代。

其原因在于波箔式动压气体轴承的支撑拱箔其与气膜压力存在强耦合作用，且自身结构之间有力的传递，再加上库伦摩擦力的存在，使得整个问题成为强非线性耦合问题，大大增加了计算难度。

本文首先运用有限差分法对Reynolds方程求解，对刚性表面动压气体轴承的静态性能和动态性能进行了模拟，并讨论了影响轴承性能的主要因素及作用规律，为分析波箔式动压气体轴承提供必要的基础。

然后在ABAQUS中建立了支撑拱箔结构的壳单元模型，将拱箔变形与气膜压力进行耦合，得到波箔式动压气体轴承的气膜压力分布、支撑拱箔结构变形分布和静态性能参数，并讨论影响静态性能的因素：偏心率和轴承数。

比较两种气体轴承的性能，对比结果说明波箔式动压气体轴承的偏心率高，摩擦力矩低，气体质量流量大，具有更好的自适应性和更低的能量损耗。

最后采用小扰动法，在静态特性基础上求解波箔式动压气体轴承的动态性能，并分析其影响因素及作用规律。

对比两种气体轴承的静、动态特性，分析波箔式动压气体轴承的优势及产生其优势的原因。

关键词：波箔式动压气体轴承；波箔；平箔；壳体单元；Reynolds方程-I-波箔式动压气体轴承性能分析Numerical Simulation on the Gas-lubricated Foil Journal BearingAbstractThe gas-lubricated foil journal bearing is a new type of bearing with broad application prospects,which has been used in many high-speed rotating machinery,such as automobile turbochargers,turboexpanders,and aircraft air circulation systems.However,the design of these application products mainly relies on experimental analysis,resulting in higher development cycle and development cost,which is not conducive to product upgrading.The reason is that the supporting arch foil of the gas-lubricated foil journal bearing has a strong coupling effect with the gas film pressure,and the strong transmission between its own structure,coupled with the existence of Coulomb friction,makes the entire problem a strong nonlinear coupling.The problem greatly increases the difficulty of calculation.This paper first uses the finite difference method to solve the Reynolds equation,simulates the static performance and dynamic performance of the rigid surface dynamic pressure gas bearing,and discusses the main factors affecting the bearing performance and the law of action.Provide the necessary foundation.Then,the shell element model supporting the arch foil structure was established in ABAQUS,and the deformation of the arch foil was coupled with the gas film pressure to obtain the gas film pressure distribution of the gas-lubricated foil journal bearing,the deformation distribution of the support arch foil structure and the static performance parameters.And discuss the factors that affect the static performance: eccentricity and number of paring the performance of the two gas bearings,the comparison results show that the gas-lubricated foil journal bearing has high eccentricity,low friction torque,large gas mass flow rate,better adaptability and lower energy loss.Finally, using the small disturbance method,the dynamic performance of the gas-lubricated foil journal bearing is solved on the basis of static characteristics,and its influencing factors and action rules are analyzed.The static and dynamic characteristics of the two gas bearings are compared,and the advantages of the gas-lubricated foil journal bearing and the reasons for their advantages are analyzed.Key Words：Gas-lubricated foil journal bearing;Bump foil;Flat foil;Shell;Reynolds equation-II-大连理工大学硕士学位论文目录摘要 (I)Abstract (II)1绪论 (3)1.1研究背景 (3)1.2波箔式动压气体轴承的研究意义及应用前景 (4)1.3国内外理论研究现状及发展方向 (5)1.3.1国外研究现状 (5)1.3.2国内研究现状 (7)1.4本文主要工作及章节安排 (8)2动压气体轴承的理论基础 (9)2.1动压润滑的基本原理 (9)2.2数学模型 (10)2.2.1Reynolds方程及其基本假设 (11)2.2.2边界条件 (12)2.2.3轴承特性参数的推导 (13)2.3数学模型的无量纲化处理 (15)2.4本章小结 (17)3刚性表面动压气体轴承的静态特性 (18)3.1有限差分网格划分 (18)3.2气膜厚度 (18)3.3Reynolds方程的有限差分离散化 (19)3.4计算流程与计算平台 (20)3.5静特性分析 (22)3.5.1宽径比对静态性能的影响 (23)3.5.2偏心率对静态性能的影响 (25)3.5.3轴承数对静态性能的影响 (26)3.6本章小结 (27)4刚性表面动压气体轴承的动态特性 (28)4.1动态气膜厚度 (28)4.2动态Reynolds方程 (29)4.3刚度和阻尼系数 (30)-1-波箔式动压气体轴承性能分析4.4计算流程 (32)4.5动特性分析 (33)4.5.1扰动频率对气体轴承动态性能的影响 (34)4.5.2轴承数对气体轴承动态性能的影响 (35)4.5.3静承载力对气体轴承动态性能的影响 (36)4.6本章小结 (38)5波箔式动压气体轴承特性分析 (40)5.1壳体有限元简述 (40)5.1.1板壳理论及假设 (40)5.1.2ABAQUS中的壳单元 (41)5.2支撑拱箔结构的有限元模型 (42)5.2.1支撑拱箔模型建模 (42)5.2.2支撑拱箔模型的前处理 (44)5.3波箔式动压气体轴承的静态特性 (45)5.3.1气膜厚度 (45)5.3.2计算流程与计算平台 (45)5.3.3支撑拱箔结构的应力和变形 (46)5.3.4偏心率对波箔式动压气体轴承静态特性的影响 (50)5.3.5轴承数对波箔式动压气体轴承静态性能的影响 (50)5.3.6波箔式动压气体轴承与刚性表面动压气体轴承的比较 (51)5.4波箔式动压气体轴承的动态特性 (53)5.4.1计算流程 (54)5.4.2扰动频率对波箔式动压气体轴承动态特性的影响 (54)5.4.3波箔式动压气体轴承与刚性表面动压气体轴承的比较 (55)5.5本章小结 (56)结论 (57)参考文献 (58)攻读硕士学位期间发表学术论文情况 (60)致谢 (61)大连理工大学学位论文版权使用授权书 (62)-2-大连理工大学硕士学位论文-3-1绪论1.1研究背景旋转机械在现代机械工业中占据重要地位，广泛应用在石化、低温工程、汽车和航空航天等各个领域。