基于Fluent的无摩擦气缸活塞结构设计仿真

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传统的气缸-活塞结构通过提高加工精度，或者采用特殊的低摩擦材料或者脂润滑来减小摩擦力。

德国FESTO公司采用特殊的密封技术n]，具有很小的滑行阻力，其启动气压可达0.005 MPa，在工作气压为0.5 MPa时，标准气缸活塞结构的摩擦力可达40 N，而低摩擦气缸的摩擦力只有 10 N。日本 SMC公司采用滚珠导向套技术，通过改变摩擦形式来减小摩擦。以上的气缸-活塞结构不是真正意义上的无摩擦，只能是低摩擦↑年来，出现了采用气体润滑技术设计的无摩擦气缸活塞 ，利用活塞与气缸壁间具有-定承载力的气膜作为润滑剂，大幅地减小了气缸-活塞的摩擦力。但这种结构存在不足，即当活塞上、下端面收稿日期：2012-09-05基金项目：浙江省自然科学基金资助项目(YI111137)作者简介：孙建辉(1955-)，男，浙江杭州人，教授，硕士生导师，主要从事机电-体化方面的研究.E-mail：sjh195###zjut.edu.cn机 电 工 程 第 30卷压差过大，容易导致其工作失稳。

在超低频模态测试悬挂系统中 ，需要保证系统引人的摩擦力小于被测试件自身重力的万分之-，且工作稳定。现有的气缸-活塞结构无法实现，必须从根本上改变其结构，本研究可开发设计出满足要求的无摩擦气缸-活塞结构。

1 无摩擦气缸-活塞工作原理在超低频模态测试悬挂系统应用中，无摩擦气缸-活塞除了提供平衡被测试件自身重力的悬挂力之外，必须旧能地降低活塞在竖直方向运动的摩擦力，使其接近于零，再配合电磁控制子系统补偿活塞运动时引起的气压波动，使悬挂系统的等效刚度为零，满足悬挂件自由-自由边界条件 圳。无摩擦气缸-活塞的结构示意图如图1所示。

图1 无摩擦气缸-活塞不意图压缩空气作用于活塞表面，可以通过改变气压大小来调节悬挂力的大小，同时压缩空气经过节流孔流入气缸内壁与活塞外壁之间，形成了具有-定支撑力以及刚度的润滑气膜。从图l中可以看出，活塞靠近高压区端面采用迷宫密封，同时活塞周向均匀开有卸压槽，使得高压气体可以从活塞上端面流出通往大气，节流孔两侧润滑气膜的边界均为大气，那么就将活塞的结构设计等效为对空气轴承的设计，这种方法避免了活塞上、下端面因压差过大而导致工作失稳的情况。

无摩擦气缸活塞设计的关键是提高活塞径向承载力，降低气体泄漏量。但是活塞的结构参数较多 ，主要包括活塞直径 D、长度 、周向节流孔个数 n、节流孑L排数m、平均气膜厚度h。和节流孔直径d。等。

需要根据实际情况，如要求最低耗气量、最大承载力或最大刚度，此时就要调节各个结构参数以满足要求。

2 建立模型2.1 几何模型由于气缸与活塞间的气膜厚度与气膜周向长度的比值约为0-410～，可以不考虑气膜的曲率半径对于气膜周向展开的影响。设活塞直径为 D，长度为，将气膜沿活塞周向展开，将展开后的气膜按周向节流孔个数 n平均等分，每-份气膜的宽b为'rD/n，且高为h ，长为 ，由于活塞与气缸在垂直运动过程中可能出现偏心，每等份的h 均不-样。气膜周向展开后的示意图如图2所示。

图2 气膜周向展开为了工程计算简化，本研究假定：①压缩空气经过节流孔后呈现-维轴向流动，沿径向与周向均无速度分量，若周向节流孔个数 n越大，那么就很接近假设情况，计算的结果误差也越小；②对于每-份气膜，假定节流孔处的气膜厚度作为其平均厚度。

2.2 径向承载力模型空气轴承的承载能力主要由压缩空气形成的气膜提供。对于径向轴承，如气缸活塞结构，若无偏心，由于活塞结构对称，周向的气膜厚度均匀，使得活塞受到的合力为零，此时无径向承载力。只有当活塞与气缸产生偏心e，导致气膜厚度不均匀，活塞受到的合力才不为零 ，产生径向承载力。此时气膜最大处 h气阻最小，相应的压力最小；气膜最小处h气阻最大，相应的压力最大～气膜沿周向平均等分成n份，每-份气膜提供的承载力为 ，由于气膜沿竖直方向对称，则其沿水平方向的分力F sinot将抵消，此时活塞的承载力 为每份 沿竖直方向的矢量和，气膜受力分析如图3所示。

由流体力学公式推导可知，气膜径向压力矢量和为：2R sin詈∑l (-2z)2 p lcos (1)第8期 孙建辉，等：基于Fluent的无摩擦气缸活塞结构设计仿真 .935。

- ，图3 活塞径向承载力模型式中：尺-活塞半径， -气膜平均等份数，p -每个节流孔后气压，L-气膜长度，z-节流孔到气膜端面的轴向距离，P-气膜在z处的气压， -轴向位移，- 第 i等份气膜弧06合力方向与竖直方向夹角。

轴向气压P与轴向位移 的关系为：p./p -(p 2-p )孚 、 (2)式中：P -每个节流孔后气压，P。-大气压。

设供气压力比 p /p。，活塞长为 ，直径为D，用C 表示承载能力系数，将式(2)代人式(1)并整理得：Cw- sin 喜 s (3)其中：K (4)式中： -节流孑L后气压与供气气压比， 。p 。。

P 与气膜厚度hi相关，偏心距e决定了每份气膜的厚度：hiho-eCOS (5)为了方便工程计算，可以查表得出 的值，那么根据式(3～5)可以推导出气膜的承载力 与偏心距 e的关系：(e) (6)另外，本研究设 为气膜的刚度，其数值为： Ae)-W(e)l/Ae (7)即W-e曲线的斜率度量了因偏心而引起的承载力变化大校本研究设计无摩擦气缸-活塞的目的就是要保证其侧向承载力 与刚度 越大越好。

3 Fluent建模仿真计算3.1 无摩擦气缸-活塞结构设计参数设计时主要考虑的结构尺寸参数包括D、L、n、z、h。、do、 等参数，具体取值范围如表1所示。

表1 无摩擦气缸活塞结构仿真主要参数3.2 各等份气膜承载力仿真在Gambit下建立每等份气膜i的模型，由表1的仿真参数得，气膜宽b'rD/n19.6 mm，气膜长L75 mm，根据前面的假设情况②以及公式(5)，偏心率e/h。依次取0.2，0.4，0.6，0.8，那么h (单位：Ixm)的取值如表2所示(根据图3，气膜沿竖直方向对称，所以省去第5～8份气膜仿真计算)。

表2 各等分气膜厚度 h 取值(单位：ttm)根据表2中的值 ，分别建立 0.2～0.8时对应的第1～4等份的气膜模型，并