凹面狀態(tài)下多孔質(zhì)節(jié)流氣體靜壓止推軸承的特性研究

于賀春， 張國慶， 陳軍平， 趙惠英， 趙則祥， 侯曉帥

(中原工學(xué)院， 鄭州 450007)

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凹面狀態(tài)下多孔質(zhì)節(jié)流氣體靜壓止推軸承的特性研究

于賀春， 張國慶， 陳軍平， 趙惠英， 趙則祥， 侯曉帥

(中原工學(xué)院， 鄭州 450007)

摘要：針對(duì)凹面狀態(tài)下多孔質(zhì)節(jié)流氣體靜壓止推軸承特性，采用Fluent軟件進(jìn)行流場(chǎng)計(jì)算，分析凹面高度和凹面弦長對(duì)氣體靜壓止推軸承靜態(tài)特性的影響，同時(shí)，對(duì)比研究凹面和理想平面時(shí)供氣壓力和氣膜間隙對(duì)壓力分布的影響，得出如下結(jié)論：隨著凹面弦長的增大，凹面多孔質(zhì)節(jié)流氣體靜壓止推軸承的壓力分布越均勻，軸承承載力減小，但剛度和耗氣量增大；隨著凹面高度的增大，凹面多孔質(zhì)節(jié)流氣體靜壓止推軸承的壓力分布越均勻，但軸承承載力和剛度減小，且耗氣量增大；在凹面狀態(tài)下，由于流場(chǎng)內(nèi)壓力分布相對(duì)均勻，在供氣壓力增大或氣膜間隙減小時(shí)，軸承的承載力及剛度變化更加明顯。

關(guān)鍵詞：多孔質(zhì)；氣體靜壓；壓力分布；凹面

氣體靜壓軸承因具有摩擦系數(shù)小、精度高、壽命長和無污染等優(yōu)點(diǎn)，在超精密加工和檢測(cè)設(shè)備中得到了廣泛應(yīng)用。美國Moore公司及日本東芝公司的超精密車床主軸均采用氣體靜壓軸承，主軸回轉(zhuǎn)精度均優(yōu)于25 nm，可以實(shí)現(xiàn)鏡面車削[1-2]。德國馬爾公司的MMQ400圓柱度儀中轉(zhuǎn)臺(tái)也采用了氣體靜壓軸承，其回轉(zhuǎn)精度優(yōu)于10 nm[3]。

與其他類型的節(jié)流方式相比，多孔質(zhì)節(jié)流氣體靜壓軸承具有壓力分布均勻、承載力高、阻尼特性好等優(yōu)點(diǎn)，長期以來都是靜壓氣體軸承領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一[4-5]。

杜金名等對(duì)小孔節(jié)流和石墨多孔質(zhì)節(jié)流兩種節(jié)流方式進(jìn)行了對(duì)比研究，結(jié)果表明，多孔質(zhì)節(jié)流氣體靜壓軸承具有更好的承載能力[6]；于雪梅采用Fluent軟件對(duì)理想狀態(tài)下局部石墨多孔質(zhì)節(jié)流氣體靜壓止推軸承的壓力分布進(jìn)行計(jì)算，研究了多孔質(zhì)節(jié)流塞的直徑和高度對(duì)軸承壓力分布的影響[7]。

王貴林等研究了基于陶瓷多孔質(zhì)材料的高剛度高阻尼空氣靜壓導(dǎo)軌[8]；田富競(jìng)等針對(duì)不銹鋼多孔質(zhì)材料制成的氣體靜壓軸承，研究了其相應(yīng)的加工方法、工作參數(shù)及多孔質(zhì)材料的結(jié)構(gòu)參數(shù)[9]；禹靜等以孔式節(jié)流靜壓氣體軸承為研究對(duì)象，設(shè)計(jì)了一種凹面氣體靜壓導(dǎo)軌，研究結(jié)果表明，其流場(chǎng)內(nèi)壓力分布比較均勻[10]。

綜上所述，多孔質(zhì)節(jié)流氣體靜壓軸承具有較高的研究和應(yīng)用價(jià)值，同時(shí)凹面設(shè)計(jì)有助于改善氣體靜壓軸承流場(chǎng)壓力分布的均勻性。本文將石墨多孔質(zhì)節(jié)流和凹面設(shè)計(jì)相結(jié)合，充分發(fā)揮二者的優(yōu)點(diǎn)，從凹面參數(shù)、供氣壓力和氣膜間隙三方面，研究凹面狀態(tài)下多孔質(zhì)節(jié)流氣體靜壓止推軸承的特性。

1模型建立

圖1　多孔質(zhì)節(jié)流氣體靜壓凹面止推軸承的結(jié)構(gòu)

圖2所示為多孔質(zhì)節(jié)流氣體靜壓止推軸承的網(wǎng)格劃分模型。對(duì)該模型分析時(shí)，假設(shè)整個(gè)止推軸承為靜態(tài)。因?yàn)檎麄€(gè)物理模型是軸對(duì)稱的，所以建模計(jì)算時(shí)只對(duì)一半模型建模及網(wǎng)格劃分，選取JK為旋轉(zhuǎn)軸。

圖2　多孔質(zhì)節(jié)流氣體靜壓止推軸承的網(wǎng)格劃分模型

2邊界條件及參數(shù)設(shè)定

2.1邊界條件

①工作介質(zhì)為理想氣體，氣體在氣膜間隙內(nèi)的流動(dòng)為層流；②壁面是絕對(duì)光滑的，不考慮粗糙度對(duì)整個(gè)分析的影響；③氣體整個(gè)流動(dòng)過程是絕熱的；④多孔質(zhì)材料透氣均勻，且內(nèi)部各向同性。

2.2參數(shù)

3結(jié)果分析

圖3為采用Fluent軟件計(jì)算的殘差迭代圖。從圖3可以看出，當(dāng)計(jì)算迭代進(jìn)行到第700次時(shí)，在水平面上X、Y兩個(gè)方向的氣體流動(dòng)速度及連續(xù)性的殘差迭代精度均達(dá)到了10-14，計(jì)算收斂效果較好。因此，該分析模型的網(wǎng)格劃分及邊界條件設(shè)置是合理的，能夠用于多孔質(zhì)節(jié)流氣體靜壓止推軸承特性的計(jì)算分析。

圖3　殘差迭代圖

3.1凹面弦長對(duì)軸承特性的影響

取供氣壓力0.5 MPa、氣膜間隙5 μm、凹面高度20 μm，在0～15 mm范圍內(nèi)改變凹面弦長，所得到的軸承壓力分布如圖4所示。從圖4可以看出，當(dāng)凹面弦長為0(即整個(gè)多孔質(zhì)節(jié)流塊表面為理想平面)時(shí)，壓力分布最大值為0.399 MPa；當(dāng)凹面弦長等于直徑，即達(dá)到最大值15 mm時(shí)，壓力分布最大值為0.195 MPa；軸承壓力分布的最大值隨著凹面弦長的增大而減?。惠S承凹面弦長為0～6 mm時(shí)，其承載面壓力分布值相對(duì)于凹面弦長為6～15 mm時(shí)變化速度??；隨著凹面弦長的增加，壓力分布曲線接近于直線的范圍變大。

圖4　凹面高度一定且凹面弦長變化的軸承壓力分布

圖5為多孔質(zhì)凹面高度一定且弦長變化時(shí)計(jì)算得到的軸承承載特性曲線。弦長為0～6 mm時(shí)，承載力、剛度和耗氣量的變化不大，近似恒定；弦長在6～15 mm范圍內(nèi)遞增時(shí)，承載力、剛度和耗氣量的變化較大。承載力減小而軸承剛度及耗氣量增加，是因?yàn)榇朔秶鷥?nèi)的軸承內(nèi)流場(chǎng)壓力也發(fā)生了比較明顯的變化。對(duì)軸承剛度關(guān)注度比較高的地方可以使用此類設(shè)計(jì)。

(a)承載力隨凹面弦長變化的曲線

(b)剛度隨凹面弦長變化的曲線

(c)耗氣量隨凹面弦長變化的曲線圖5　凹面高度一定且凹面弦長變化的軸承特性曲線

3.2凹面高度對(duì)軸承特性的影響

取供氣壓力0.5 MPa、氣膜間隙5 μm、凹面弦長15 mm，軸承凹面弦長為固定值，在0～40 μm范圍內(nèi)改變凹面高度,所得到的壓力分布曲線如圖6所示。

圖6　凹面弦長一定且凹面高度變化的軸承壓力分布

從圖6可以看出，當(dāng)凹面高度為0(即整個(gè)多孔質(zhì)節(jié)流塊表面為理想平面)時(shí)，壓力呈凸面分布，即從軸承中心到軸承邊緣的壓力逐漸減小至大氣壓，并且變化程度比較明顯，相應(yīng)的軸承高壓區(qū)承載面積比較小；隨著凹面高度的增加，流場(chǎng)壓力分布趨于平直狀態(tài)；當(dāng)凹面高度達(dá)到20 μm以后，在0～12 mm的軸承徑向長度范圍內(nèi)，壓力分布線接近于直線，但壓力分布曲線隨著凹面高度的增加而逐漸降低。

圖7為凹面弦長一定時(shí)改變凹面高度所得到的軸承特性曲線。當(dāng)軸承凹面弦長一定時(shí)，隨著軸承凹面高度的增加，軸承的承載力和剛度逐漸減小，而軸承的耗氣量逐漸增大，整個(gè)軸承特性趨向變差。

3.3供氣壓力對(duì)止推軸承壓力分布的影響

圖8為理想平面狀態(tài)下不同供氣壓力時(shí)止推軸承的流場(chǎng)壓力分布曲線。其中，軸承氣膜間隙5 μm，為固定值。在分析中，供氣壓力依次為0.3 MPa、0.4 MPa、0.5 MPa和0.6 MPa?？梢钥闯?，隨著供氣壓力的增大，流場(chǎng)的壓力分布整體提高。

圖9為凹面狀態(tài)下不同供氣壓力時(shí)止推軸承的流場(chǎng)壓力分布曲線，對(duì)應(yīng)的凹面高度為20 μm，弦長為15 mm。從圖9可以看出，隨著供氣壓力的增加，止推軸承承載面的壓力分布曲線變化一致，但是壓力值不同，相同位置的壓力值隨著供氣壓力的增加而增大。

對(duì)比圖8和圖9可知，凹面狀態(tài)下流場(chǎng)壓力的分布曲線相對(duì)平直；若提高供氣壓力，承載力及剛度的提高將會(huì)更加明顯。

(a)承載力隨凹面高度變化的曲線

(b)剛度隨凹面高度變化的曲線

(c)耗氣量隨凹面高度變化的曲線圖7　凹面弦長一定且凹面高度變化的軸承靜態(tài)特性曲線

圖8　理想平面狀態(tài)下不同供氣壓力的流場(chǎng)壓力分布曲線

圖9　凹面狀態(tài)下不同供氣壓力的流場(chǎng)壓力分布曲線

3.4氣膜間隙對(duì)止推軸承壓力分布的影響

圖10為理想平面狀態(tài)下不同氣膜間隙時(shí)止推軸承的流場(chǎng)壓力分布曲線，對(duì)應(yīng)設(shè)置的氣膜間隙分別為5 μm、10 μm、15 μm、20 μm。從圖10可以看出，氣膜間隙為5 μm的最大壓力值是氣膜間隙為20 μm的7倍左右；整個(gè)承載面的壓力分布呈凸面分布，從軸承中心到軸承邊緣的壓力越來越小，并且同一位置的壓力隨著氣膜間隙的增加而減??；壓力分布值等高線隨著間隙的增大而越來越趨近于直線，壓力分布越來越均勻。

圖10　理想平面狀態(tài)下不同氣膜間隙的流場(chǎng)壓力分布曲線

圖11為凹面狀態(tài)下不同氣膜間隙時(shí)止推軸承的流場(chǎng)壓力分布曲線，對(duì)應(yīng)的凹面高度為20 μm，弦長為15 mm，供氣壓力為0.5 MPa。從圖11可以看出，隨著氣膜間隙的增加，止推軸承承載面的壓力分布曲線越來越趨近于直線，但是壓力值越來越小。為了保障軸承足夠的承載力，在實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)當(dāng)選取5～10 μm的氣膜間隙。

圖11　凹面狀態(tài)下不同氣膜間隙的流場(chǎng)壓力分布曲線

對(duì)比圖10和圖11可知，凹面狀態(tài)下流場(chǎng)壓力分布曲線相對(duì)平直；若減小氣膜間隙，承載力及剛度的提高將會(huì)更加明顯。

4結(jié)語

(1)隨著凹面弦長的增大，凹面多孔質(zhì)節(jié)流氣體靜壓止推軸承的壓力分布越均勻，其承載力減小，但剛度和耗氣量增大。

(2)隨著凹面高度的增大，凹面多孔質(zhì)節(jié)流氣體靜壓止推軸承的壓力分布越均勻，軸承承載力和剛度減小，但耗氣量增大。

(3)凹面狀態(tài)下，提高供氣壓力或減小氣膜間隙，多孔質(zhì)節(jié)流氣體靜壓止推軸承的承載力和剛度的增加將會(huì)更加明顯。

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(責(zé)任編輯：王長通)

收稿日期：2016-04-11

基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51405523)；鄭州市科技攻關(guān)項(xiàng)目(121PPTGG363-6)

作者簡(jiǎn)介：于賀春(1982-)，男，河南西平人，副教授，博士，主要研究方向?yàn)榫苤圃旒夹g(shù)及裝備。

文章編號(hào)：1671-6906(2016)03-0007-05

中圖分類號(hào)：TH133.3

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

DOI:10.3969/j.issn.1671-6906.2016.03.002

Research on the Characteristics of Porous Throttling Aerostatic Thrust Bearings with Concave Working Surface

YU He-chun， ZHANG Guo-qing， CHEN Jun-ping， ZHAO Hui-ying， ZHAO Ze-xiang， HOU Xiao-shuai

(Zhongyuan University of Technology， Zhengzhou 450007， China)

Abstract:According to the characteristics of porous throttling aerostatic thrust bearings with concave working surface, the Fluent software is used for the flow field calculation. The influence of the concave surface height and the concave chord length on the static characteristics of aerostatic thrust bearings are analyzed. At the same time, the influence of the gas pressure and the film clearance on the pressure distribution under the concave and the ideal working surface are compared and discussed. The following conclusions are drawn: with the increases of the concave chord length，the pressure distribution of porous throttling aerostatic thrust bearings with the concave working surface becomes more uniform，the bearing capacity decrease，the bearing stiffness and the gas consumption increase; with the increase of the concave height，the pressure distribution also becomes more uniform，the bearing capacity and the bearing stiffness decrease，and the gas consumption increase; under concave working surface state, because the pressure distribution field is relatively uniform, the increase of gas supply pressure or the decrease of gas film clearance, the bearing capacity and stiffness change more.

Key words:porous; aerostatic; pressure distribution; concave working surface

于賀春：博士，副教授，中原工學(xué)院青年拔尖人才、青年骨干教師。2005年獲得大連海事大學(xué)輪機(jī)工程專業(yè)學(xué)士學(xué)位，2011年獲得大連海事大學(xué)輪機(jī)工程專業(yè)博士學(xué)位。主要從事精密氣體軸承-轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、軸承流場(chǎng)特性分析、金剛石線切割技術(shù)等方面的研究。參與完成了國家自然基金重點(diǎn)項(xiàng)目和面上項(xiàng)目各1項(xiàng)、國家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目1項(xiàng)、高檔數(shù)控機(jī)床與基礎(chǔ)制造裝備國家科技重大專項(xiàng)項(xiàng)目1項(xiàng)。目前主持國家自然科學(xué)基金青年基金項(xiàng)目1項(xiàng)，參與國家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目1項(xiàng)，主持河南省教育廳科學(xué)技術(shù)研究重點(diǎn)項(xiàng)目1項(xiàng)，主持鄭州市科技攻關(guān)項(xiàng)目1項(xiàng)。發(fā)表學(xué)術(shù)論文20余篇，其中EI收錄8篇；授權(quán)發(fā)明專利2項(xiàng)；出版專著2部。