单供气孔静压平面止推空气轴承静特性分析

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Analysis on Static Performances of AerostaticThrust Bearing th Single OrificeHe Bing Wang Hongguang(College of Power Engineering，University of Shanghai for Science and Technology，Shanghai 200093，China)Abstract：The static performances of inherent orifice and pocketed orifce thrust beatings was analyzed by simulation withthe software of CFD，and the flow field of pressure and velocity distribution was obtained.The effects of parameters of beatingand supply pressure on static perform ances of pocketed orifice thrust bearings were analyzed.Th e results show that，comparedwith inherent orifice bearings，pocketed orifice beatings exhibit high load capacity and gas film stiffness.For pocketed orificebearings，the load capacity and gas film stifness are all increased by increasing the diameter and depth of the air chamber，and the supply pressure and supply orifice diam eter，but the depth of the air chamber，the supply orifice diameter have a rela-tively little impact on the static performances。

Keywords：aerostatic thrust beating；static performance；thrust beating；gas film stiffness空气轴承由于采用黏性比较低的空气作为润滑介质，所以与传统轴承相比有很多优点，如低摩擦、高转速、高精度与稳定性、小温升等，因此空气轴承已广泛应用于高精密支承、精密加工平台等诸多领域中。

而对于凶节流型的平面止推空气轴承，又可分为环面节流和喷嘴节流 2种节流孔类型。这 2种类型的止推轴承各有其应用诚和优缺点，因此对其静特性进行比较，探讨轴承结构参数和供气参数对其静特性的影响，可指导工程实际应用时合理选用该类轴承。

空气轴承的静特性包括静承载力、气膜刚度和气体消耗量与轴承的几何参数、供气参数及节流器的类型等有关。王学敏等 采用 CFD软件对分析供气孔圆盘止推气体轴承在超音速流下的性能，研究了超音速收稿日期 ：2012-10-22作者简介：何兵 (1987-)，男，硕士研究生，研究方向为流体润滑，气体轴承.E-mail：hebingeva###163.com。

流下气膜内区域的复杂流场流动以及供气孔数、气膜间隙和供气压力对其性能的影响。李华川等 采用ANSYS对有双排节流孔的径向空气静压轴承进行了有限元分析，通过节流孔内的平均压力计算径向承载力，从而得到了静刚度。孙昂等人 对平面静压气浮轴承的超音速流场特性进行了数值仿真，但对超音速流下进气孔中的流场参数分布，对轴承的性能和影响参数没有进行数值计算。本文作者采用 CFD商用软件 Flu-ent对 2种节流类型的单供气孔静压平面止推空气轴承气膜间隙内的流厨行数值模拟，得出喷嘴节流轴承性能优于环面节流轴承，进而分析了喷嘴节流止推轴承的几何参数和供气参数对其静特性的影响规律 j。

1 计算模型2种节流类 型的圆形平面止推轴承的结构示 意图 如图 1所示。

78 润滑与密封 第 38卷2.2 轴 承静 特 性分 析气体轴承静特性包括静承载力 W、气膜刚度 K和气体消耗量 Q 其计算公式为： aJ。b(p-p )dxdy (1) - dW (2)/P s (3)(a)环面节流 (b)喷嘴节流图4 环面节流和喷嘴节流轴承供气孔内流线图Fig 4 Streamlines of inherent orifice(a)and ：pocketed orifice(b)thrust bearing图5示出了环面节流和喷嘴节流出口气膜在气膜厚度方向上的速度分布∩以看出速度成典型的抛物线分布，喷嘴节流类型的气膜出口速度平均要高于环面节流类型的50%。

0rifice0rificeAir gap cltm图5 环面节流和喷嘴节流在气膜厚度方向出口速度分布Fig 5 The velocity along film thickness of inherent orifice(a)and pocketed orifice(b)thrust bearingO 5 10 15 20 25 30 35 40 45Gas gap cltm(a)承载力当 ≥(寿)者丽 当 Ps≤(南)卉式中： 是喷嘴的速度系数；C。是流量系数；A是节流面积； 是气体绝热指数；P。是供气压力；Pj是供气孔出口压力 。

2种节流类型轴承的承载力、气膜刚度和气体消耗量的对比如图6所示。从图 (a)可以看出，在气膜间隙小于2O 时，喷嘴节流轴承承载力大约是环面节流轴承承载力的 2倍 ，随着气膜间隙的增大，承载力逐渐下降，且两者承载力的差距也随着气膜间隙的增大而减校从图 (b)可以看出，喷嘴节流轴承的气膜刚度高于环面节流轴承，随着气膜间隙的增大，两者的气膜刚度差距逐渐减校从图 (C)可以看出，随着气膜间隙的增大，气体消耗量也随之增加，环面节流类型轴承增加得 比较平缓，而喷嘴节流类型的增加比较显著。

0 5 lO l5 2O 25 30 35 40 45Gas gap clttm(b)气膜 刚度砷锄目口昌j口0荫0.20.15.10.05.000 5 10 15 20 25 30 35 40 45Gasgapclam(c)气体消耗量图6 承载力、气膜刚度和气体消耗量随气膜间隙的变化关系Fig 6 Variations of load capacity(a)，stiffness(b)and gas consumption(e)with the film thickness3 喷嘴节流类型轴承的静特性结果目前，在很多工程实际应用中，诸如静压平面导轨、超精密加工平台以及三坐标测量机上都采用的是喷嘴节流型平面止推空气轴承。现单独对喷嘴节流类型轴承进行数值模拟，分析轴承几何参数和供气参数对其性能的影响。

3.1 节流孔直径对轴承性能的影响如图7所示为承载力，气膜刚度和气体消耗量随供气孔直径的变化关系∩以看出，承载力、气膜刚度和气体消耗量随供气孔直径的增大而增大，但供气d t I--- --羔l /[ 兰量. . /- -2013年第 3期 何 兵等：单供气孔静压平面止推空气轴承静特性分析 79孑L直径对气膜刚度的影响程度较小，在小气膜间隙和大 气膜间隙下气膜刚度随着供气孔直径的增大变化很校O 5 l0 l5 2O 25 30 3S 40 45Gas gap cltm(a)承载力0 5 1O 15 20 25 30 35 40 45Gas gap clttm(b)气膜刚度≮ o.30]-d0.8mm 0.25---d0.46mm /0.20 --d-0·2mm // 喜0.10 I 5. . 二.。

u 3 1o 13 o 3 Ju 3 4o q3Gas gap c/ttm茸 棣 消 妊 鲁 图7 供气孔直径对承载力、气膜刚度和气体消耗量的影响Fig 7 The load capacity(a)，stifness(b)and gas consumption(e)for diferent orifice diameters3.2 供气压力对轴承性能的影响如图8所示为承载力、气膜刚度和气体消耗量随供气压力的变化关系∩以看出，随着供气压力的增大，承载力也随之增加 ，同时，在较大的供气压力下，随着气膜间隙的增大，承载力和气膜刚度下降比220Z 200180置 160。g 140墨1208 1008o宅 604O20O 5 10 15 20 25 3O 35 40 45Gasgapcltm(a)承载力50。目 403020坦lo∞ 0较快。在气膜间隙小于15 txm时，承载力随着气膜间隙的增大变化不大，而气膜刚度随着气膜间隙的增大下降较快。气体消耗量随着供气压力的增大而增大，随着气膜间隙的增大而增大，且不同的供气压力下变化趋势-致。

0 5 10 l5 2O 25 30 35 40 45GasgaP clpm(b)气膜刚度0 5 10 15 20 25 30 35 40 45Gas gapeltm(c)气体消耗量图8 供气压力对承载力、气膜刚度和气体消耗量的彰响Fig 8 The load capacity(a)，stifness(b)and gas consumption(c)for diferent supply pressures3.3 气腔深度对轴承性能的影响如图 9所示为承载力、气膜刚度和气体消耗量随气腔深度的变化关系∩以看出，在气膜间隙小于l5 m时气腔深度对轴承承载力的影响不大，随着气0 5 10 15 2O 25 30 35 40 45Gas gap c/tm(a)承载力腔深度的增加，承载力有-定程度的提高。但是气膜刚度随着气腔深度的增大变化不大，而气体消耗量随着气腔深度的增大而增大。

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45Gasgap clam(bl气膜刚度0 5 l0 15 20 25 30 35 40 45Gas gap e/Ixm(c)气体消耗量图9 气腔深度对承载力、气膜刚度和气体消耗量的影响Fig 9 The load capacity(a)，stifness(b)and gas consumption(c)for diferent chamber depthsm m m m ～-8 6 4 2 -扣 扣扣 - ：1 11 JJ J J J J J J ，J J Jl ；i； 加 m 0- 茸i.乏-，1 曲器 王 砚舯∞柏 仰∞ 加 0乏 - 8 々g加 ：2 ∞O O 0 0 0 O T舶.暑)，菩 口。I 昌目确置。u确锥0加 ∞0 0 O O O O -t.啦。 -、丑 曩。譬 曾目昌曲目。。曲矗0～-..- -1 J 1 1 J 1J 1J l 如 加 s o- 目土.z-， 曲砷 最 譬∞鲫 ∞柏 ∞ 鲫 ∞ 蚰加Z 肇 扫 I3霄盘曩 弓曩0r1润滑与密封 第38卷3.4 气腔直径对轴承性能的影响如图 l0所示为承载力、气膜刚度和气体消耗量随气腔直径的变化关系∩以看出，随着气腔直径的增加，承载力也随之增大；在气膜间隙小于20 m时，随着气膜间隙的增大承载力下降幅度较校气膜240220。0皇160：140120耋 嚣40刚度随着气腔直径的增大而增大，但随着气膜间隙的增加 ，刚度随着气腔直径增大而增大的趋势变得不明显，刚度趋于-致。气体消耗量随着气腔直径的增大而增大。

Gas gap c/tm(a)承载力Gasgap cintra(b)气膜刚度 Gas gap cllm(C)气体消耗量图10 气腔直径对承载力、气膜刚度和气体消耗量的影响Fig 10 The load capacity(a)，stifness(b)and gas consumption(c)for diferent chamber diameters4 结论(1)在轴承几何参数和供气参数相同时，相对于环面节流型轴承而言，喷嘴节流型轴承的承载力在气膜间隙小于 20 m时大约是环面节流型轴承的 2倍 ，气膜刚度和气体消耗量都大于环面节流型轴承，这 2种类型轴承的性能差距都随着气膜间隙的增大而缩校(2)喷嘴节流型轴承的承载力、气膜刚度和气体消耗量随供气孔直径的增大而增大 ，但气膜刚度的影响程度 比较小 ，在小气膜间隙和大气膜间隙下气膜刚度随着供气孔直径的增大变化很小 ；随供气压力的增大而增大 ，且变化程度 比增大供气孔直径的程度大。承载力 、气膜刚度和气体消耗量随气腔深度的增大而增大，其中承载力和气体消耗量 的变化明显-些，而气膜刚度变化不大；随气腔直径的增大而增大，其变化比增大气腔深度要明显。因此，为使轴承的总体性能处于最优状态，必须根据实际工作状况，综合考虑轴承的几何参数和供气压力。