空气静压径向轴承动压效应对其承载能力的影响

本资料包含pdf文件1个，下载需要1积分

Effect of Dynamic Pressure Effect on Load Capacity of AerostaticRadial BearingsDuan Ming-de 。Zhang Wu-guo ，Cao Li-bo(1.School ofMecbatronics Engineering，Henan University ofScience&Technology，Luoyang 471003，China；2.Luoyang Hengrui Measurement and Control Technology Co.，Ltd.，Luoyang 471013，China)Abstract：The theoretical model is established for an aerostatic radial bearing.The efects of bearing clearance and sup-ply pressure on the bearing S load capacity and air consumption are analyzed under the condition of rotating by using thefinite element software.The results show the obvious dynamic pressure efect is generated with the increase of the rota-ting speed.The less the bearing clearance ，the more the obvious enhancing effect of dynamic pressure effect on thebeating S load capacity.The larger the supply pressure，the greater the proportion of pure hydrostatic lubrication in hy-drostatic-dynamic hybrid air lubfiemion，and the smaller the proportion of dynamic pressure efect。

Key words：aerostatic radial beating；theoretical model；simulation analysis；dynamic pressure efect空气静压径向轴承具有摩擦因数孝运动精度高、寿命长等特点，在超精密加工、高速支承等领域得到了广泛应用 I2 J≌气静压径向轴承的承载能力与轴承的结构尺寸、供气压力以及动压效应有关 。]。文中考虑空气在空气静压径向轴承间隙中的流动情况，运用基于有限体积法的计算流体力学分析软件 FLUENT8-91建立空气静压径向轴承中流体的全模型。在数值计算基础上，分析动压效应对承载力的影响。

收稿 日期 ：2012-03-20；修回日期：2012-08-13基金项 目：国家科技重大专项 (2011ZX04002-132，2012ZX04005-021)作者简介 ：段明德(1966-)，男 ，河南洛宁人 ，教授 ，硕士生导师，主要从事机床和工艺装备的研究开发工作。

1 动压效应形成原理空气静压径向轴承的动压效应形成原理如图1所示。轴承处于工作状态下，轴颈中心 O：偏离轴承中心 O ，e为偏心量， 为偏心角，在 0 O：连线上，-端为最大气膜间隙 h ，另-端为最小气膜间隙h 沿着轴承的旋转方向，从 h 到 h i ，形成了由大变小的收敛楔形间隙，满足动压效应形成的几何条件；与此相反，从h i 到h ，为由小变大的扩大楔形间隙，空气在这两个楔形间隙中流动，产生动压效应，使得空气静压径向轴承的承载力得以提高。

2 流场数学建模空气静压径向轴承的结构如图l所示〖虑段明德，等：空气静压径向轴承动压效应对其承载能力的影响图 1 空气静压径 向轴承 的楔 形润滑膜空气的压缩性，假设空气在轴承中的流动为等温过程，空气静压径向轴承在高速工作，动静压混合润滑时，轴承问隙内气膜中各点的压力P满足Reynolds方程(学 6 (phOx]OyOy] Ox ， 以式中：h1-8C0S(x/R)；8e/h。；R为轴承的半径；h。为轴承的平均气膜间隙； 为轴承的偏心率。

其边界条件为：大气边界条件PP ，P 为大气压力 ；节流孔入口边界PP。，P。为专用气源的供气压力。

3 仿真计算与结果讨论3.1 计算流体力学仿真模型的建立及求解忽略轴承内壁面及轴的表面粗糙度的影响。

在 FLUNET的前处理软件 GAMBIT中建立空气静压径向轴承的流场模型9 J。具有偏心率的轴承流场模型分为 3部分：节流孔区域、气膜区域和供气孔在气膜中的区域。面网格划分时，采用边界层方法划分气膜区域的面，采用四边形结构网格划分节流孔区域的面。对体网格划分均采用 Hex/wedge类型，cooper方式。划分后的网格模型如图2所示。

(a)轴承流场的三维网格 (b)节流孔区域的网格模型图 2 划分后 的网格模 型将 GAMBIT中生成的空气静压径向轴承流场网格模型导人 FLUENT中，进行网格的检查和标定、边界条件的设置、流体物性的设置、计算模型的选娶求解策略的设置 以及模型的迭代计算等 。模型采用k- 湍流模型，轴表面设置为旋转壁面，选取非平衡壁面函数，压力速度耦合算法设置为SIMPLIC算法，求解器设置选用基于压力的求解器(Presure Based)o3.2 仿真结果分析选日气静压径向轴承的长度 Z280 mm，直径 D250 mm，双排供气，每排节流孔数为 8个。

3.2.1 转速对轴承性能的影响选取平均间隙 h。16 I.zm，供气孔直径 d0.4 mm，P0.3 MPa，偏心率 0.1，分析不同转速下轴承的动压效应，及轴承转速对轴承的承载力和耗气量的影响，结果如图3所示。

轴承转速/(×10 r·rain-)fa)对承载力的影响轴承转速/(×10 r·nil3- )(b)对耗气量的影响图 3 转速对轴承性 能的影响由图 3a可知，承载力随着转速的提高而增大，转速在 20 000～40 000 r/min，承载力增速最快；转速大于40 000 r/min时，承载力的增速较为缓慢。承载力的变化趋势可解释为：转速较低时，空气可压缩性的影响小，随着转速提高，因动压效应引起的气膜刚度增大，动静压润滑合成后的轴承承载力曲线会有较快上升；转速继续提高，-方面轴承间隙中的动压效应增强，另-方面，转速的提高对动压效应提高的作用变弱，因此，动静压效獬憾 -T∞. 0×-/o軎· 38· 《轴承)2013.No.1应合成后，轴承承载力的增速趋于缓慢。

由图 3b可知 ，轴承的耗气量随着转速的提高略有降低，转速对轴承耗气量的影响非常小，进而说明轴承切向速度对轴承端泄量的影响很校3.2.2 平均间隙对轴承性能的影响选取 d0.4 mm，P0.3 MPa， 0.1，分析在不同的平均间隙下转速对轴承的承载力和耗气量的影响，结果如图4所示。

轴承转速/(×10 r·mil- )(a)对承载力的影响轴承转速/(×10 r·nqJlq- )(b)对耗气量的影响4 平均 间隙对轴承性能的影响平均间隙对承载力的影响如图4a所示，轴承的平均间隙越小，随着转速的提高，动压效应对轴承承载力的提高越明显。当轴承转速达到40 000r/min时，平均间隙为 16，22和30 m轴承的承载力与转速为 0时相比分别提高了 34%，16%和11%∩见，对于高速静压径向轴承，动压效应会显著提高轴承的承载力，对于平均间隙很小的静压径向轴承，即使转速很低，动压效应也很明显。

例如：对于算例中平均问隙为16 m的轴承，当轴承的转速为20 000 r/min时，动压效应使轴承的承载力提高了 10%。

图4b为不同的平均间隙下，转速对轴承耗气量的影响。轴承的平均间隙越小 ，轴承的耗气量越小，这是 因为：轴承的平均间隙越小 ，轴承间隙中气膜 内的流阻越大，从而轴承问隙中的流量越校3.2.3 供气压力对轴承性能的影响选取 d0.4 mm，hn16 Ixm， 0.1，分析在不同的供气压力下转速对轴承的承载力和耗气量的影响，如图5所示。

轴承转速/(×10 r·rain- )(8)对承载力的影响轴承转速/(x 10 r·mi]- )(b)对耗气量的影响图 5 供 气压 力对轴承性能 的影响由图5a可知，在转速为零时，供气压力越大，空气静压径向轴承的承载力越大。轴承的承载力随着转速的增加而增加，且不同供气压力下的轴承承载力的增量保持-致，这种现象说明：当供气压力越大时，纯静压润滑在动静压混合润滑中所占的比例就越大，动压效应在动静压混合润滑中所占的比例就越校图5b为不同供气压力下，转速对轴承耗气量的影响，轴承的耗气量随着转速的增加略有降低，供气压力越大，轴承的耗气量也越大，且不同供气压力下的轴承耗气量的增量保持-致。

4 结论(1)随着轴承转速的提高，空气静压径向轴承产生的动压效应变得越明显；(下转第50页)f、 R磷嚆-ls. 0×-/o-Ts. 0×)/。

· 50· 《轴承2013.No.1表 1 转炉耳轴轴承分类识别结果经过现场油液分析的验证，4炉耳轴轴承处于正常状态，而 炉耳轴轴承存在磨损现象。为进- 步说明方法的有效性，以线性核函数为例，给出了利用试验 3的方法对两类样本分类的结果，见表2。

表 2 试验 3的分类结果从表2可以看出，对正常状态的样本分类正确率为 99%，对磨损状态的样本分类正确率为96.6%，说明所设计的分类器能够较准确地识别出两种不同的轴承状态。

3 结论(1)针对转炉耳轴轴承低速、重载、非整周期、问歇旋转的工作特点，采用声发射技术对耳轴轴承进行状态监测是-种新监测技术的有益尝试，可以为具有类似工作特点的设备提供参考。

(2)将PCA特征提取方法和 LS-SVM分类方法相结合，对正常和磨损状态下的转炉耳轴轴承进行故障识别，在使用线性核函数数时，总体正确率可达到 97.8%，且算法复杂度低 ，运算速度快，可为转炉耳轴轴承的在线监测与故障诊断提供有力支持。