异形节流腔动静压气浮轴承承载特性

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Bearing Characteristics of Dynamic and Static PressureAir Bearing with Special·shaped Throttling CavityHao Aipeng Jia Yuhong(School of Aeronautic Science and Engineering，Bering University of Aeronautics and Astronautics，Bering 100191，China)Abstract：The finite volume method was used to study the bearing characteristics of the air beating with three degree offreedom special·shaped throttling cavity.Based on the internal flow field simulation analysis，the efect of rotating speedand gas pressure on the bearing characteristics of air bearing was discussed，and the carrying capacity of the air bearingwith special-shaped throttling cavity and conventional throttling cavity was compared.The results show that the carryingcapacity of the air bearing with three degree of freedom special-shaped throttling cavity has a nonlinear relationship withgas pressure and rotating speed，in order to get the optimal value of carying capacity，the gas supply pressure and bearingspeed should be limited.Compared with the conventional throttling cavity structure，the special-shaped throttling cavitystructure can improve the carrying capacity of air beating。

Keywords：gas lubrication；throttling cavity；air bearing；carrying capacity传统的动静压气浮轴承，在结构设计研究方面，主要集中在动压槽的结构类型与参数的选取 。动压槽的结构类型通常采用阶梯面、旋转槽、人字槽等结构形式 4。，它们有-共同特点，即均为槽深固定不变的均匀槽。其结构理论分析较为全面，设计方法也较为成熟。随着动静压气浮轴承的广泛应用，对其性能有了更高的要求。目前，对轴承性能的探索依然集中在对传统轴承结构参数的优化设计上，而对于具有变腔深的异形节流腔结构的动静压轴承的研究报道尚不多见。变腔深的异形节流腔结构的动静压轴承，由基金项目：北京市自然科学基金资助项目 (3112017)。

收稿日期：2012.12-05作者简介：郝艾鹏 (1988-)，男，硕士研究生，研究方向为虚拟样机技术.E-mail：haoaipeng###gmail.com。

于其在运行过程中具有显著的非线性特性，导致其设计理论尚不完善，对于其所具有的承载特性尚有待进- 步研究。

本文作者采用基于有限体积法的数值仿真技， 对具有异性节流腔结构的三 自由度球面动静压气浮轴承进行研究，通过建立相应的数学模型，探究了改变转速及供气条件等参数对其承载特性的影响；通过与常规结构的三自由度动静压球面气浮轴承的对比，探究了变腔深的异形节流腔结构所具有的特点。

1 建模与网格划分对动静压气浮轴承的特性分析，传统的模拟计算通常采用的是有限元法，这种方法主要通过鼻变换，把三维的计算区域简化成二维的 。这种研究方法是在二维雷诺方程下进行的，但是在真实的流体传动过程中，会存在轴承出现偏载或者人口边界不对称42 润滑与密封 第38卷的-系列情况，这时二维的雷诺方程就不能得到准确的计算结果。另外，应用有限单元法进行计算，计算量相对较大，如果网格划分得太多，就会导致求解速度急剧下降。所以，采用有限元法来计算，在应用中存在很多弊端。应用商用有限元软件，可以通过前期建立的三维模型，对实际的流翅构进行模拟；在前处理过程中，通过对网格节点分布的控制以及边界条件的设置，可以模拟气浮轴承在实际工作条件下的供气压力等参数，从而对轴承系统整体进行仿真 。

通过三维模型的建立 ，采用 目前较为流行的有限体积法进行模拟，在网格的建立过程中，采用了大纵横比的结构化网格，然后设定有效的边界条件，进行了流场的仿真计算，得到了轴承的压力分布和速度分布常1.1 数学模型异形节流腔结构与标准气腔结构相比，在节流浅腔的结构上有较大的区别。首先采用了变腔深的腔体设计，使腔内气流在轴承高速转动的情况下，由于气膜厚度逐渐变小，在腔内产生了楔型效应，动压效应显著增强。同时，沿着轴承运转的方向，气腔采用了变直径的设计形式，同样增加了气浮轴承在运转过程中的动压效应。

设计的对置半球型轴承球径为D2R25 mm，支撑最大载荷为 111 kN。通过计算，得到轴承的结构尺寸见表1。轴承气腔结构模型如图 1所示，异形节流腔局部放大图如图 1所示。

表 1 三自由度动静混合气体轴承模型结构参数Table 1 Structural parameters of 3-D hybrid air bearing球半径 r/mm球窝外包角 l/(。)周向供气孔包角 (。)球窝内包角 /(。)周向供气孔个数周向供气孔直径d/mm节流浅腔个数供气孔直径 d/ram节流腔大径 D /mm节流腔卸D：/mm两直径间距离L/mm长槽宽度 H/mm供气孔轴线与法线夹角 (。)图1 三自由度动静压球面气浮轴承气腔结构图Fig 1 Gas cavity structure diagram of three degree of freedomdynamic and static pressure spherical bearing1.2 网格 划分由于气膜间隙的厚度极薄，与轴承几何尺寸相比为极小量，通常处理方法为将气膜厚度忽略，将其简化为二维平面进行处理，这样便于应用有限差分方法求解N-S方程。但是，由于对模型做出了过多的假设，计算得到的结果与实际情况相比，可能存在较大偏差。而对气膜结构进行仿真，则可以避免由于模型的过度简化，造成气膜流场内部信息丢失的现象。本文作者采用六面体结构化网格对气膜间隙结构进行网格划分，网格划分重点在气膜间隙部分以及节流器供气口位置部分。在理论上，对于模型进行网格划分的数量越多，计算精度越高，但是计算时间也会越长，综合考虑后，网格数量确定为257万。

气膜间隙及供气孔节流器区域为计算的关键部位 ，需要对上述部位进行局部加密。另外，为了保证网格的质量以及网格的数量，不应对气膜高度方向网格划分得过密。采用六面体网格进行局部加密后的网格如图2所示。

图2 三自由度球面动静压轴承流称算网格Fig 2 Flow field calculation grid of three degreeof freedom spherical hybrid beating5 3 ； 如 ∞ ∞ 6 6 4 2 。 。 ：。 1 [2013年第7期 郝艾鹏等：异形节流腔动静压气浮轴承承载特性表 3 不同节流器结构参数Table 3 Structure parameters of differem throttles研究不同节流腔结构节流作用对动静压气浮轴承的承载特性的影响，主要由气浮轴承的动压效应人手。在本节算例的边界条件及初始条件的设置中，取供气压力为2.03 MPa，出口压力为环境压力。分别研究了在转速 100，1 000，10 000 rad/s下，5种不同节流器结构动静压气浮轴承的承载特性，结果如表4所示。

可以发现，相比普通节流腔结构的气浮轴承，采用异形节流腔结构的气浮轴承可大大提高轴承的承载力，其中在 100 rad/s的转速下承载力增加了 18.5倍，在 1 000 rad/s的转速下承载力增加了21.6倍，在 10 000 rad/s的转速下承载力增加了21.8倍。说明针对三自由度动静压球面气浮轴承，采用变腔深、变截面的节流腔结构，可显著提高轴承的承载能力。

5 结论(1)三自由度动静压球面气浮轴承的承载能力与供气压力呈非线性关系，为使气浮轴承获得较大的承载力，应合理控制供气压力范围。

表 4 不同转速下不同浅腔结构轴承的承载力与转动阻力Table 4 Beating capacity and mtional resistance of diferent throtles under diferent rotation speed(2)动静压气浮轴承由于动压效应 的影响，在不同转速条件下 ，承载特性呈现出明显 的非线性特征。因此，在研究动静压耦合效应时，应考虑动静压效应的耦合作用，而不应将其单独进行分析后进行叠加。

(3)与普通节流器结构的气浮轴承相比，采用异形节流器结构的动静压气浮轴承，可以显著提高轴承的轴向承载力。