2017, Vol. 38
空气静压轴承利用空气作为润滑剂, 从外界提供压缩空气, 经过压缩的气体经节流孔进入轴承间隙, 在主轴与轴承表面形成可压缩的气膜层, 并起负载作用.由于空气黏度很低, 摩擦力几乎不存在, 因此空气轴承几乎消除了由摩擦力产生的阻力和磨损, 所以更适用于高速和高精度设备.较之其他轴承具有较小摩擦、运转平稳、使用寿命长、回转精度高且无环境污染等优点[1-2], 在航空、航天以及精密测量和超精密加工设备中得到广泛应用[3].提供足够的承载力和稳定性的最关键的问题在于这些轴承的设计[4-7], 因此气体轴承已成为精密轴承的一个重要发展方向.
近年来国内外对其进行了很多研究, 段明德等[8]通过建立空气静压轴承三维模型, 仿真分析旋转工作状态的轴承, 得出进气压力、轴承转速与气模厚度对空气轴承承载能力及需气量带来的影响; Zhu[9]等对超精密空气静压轴承的瞬态流动特性进行了研究.为了捕捉湍流结构和波动, 利用LES方法数值计算轴承间隙的瞬态流场, 对轴承间隙涡结构和压力波动进行了分析.Renn等[10]研究空气静压轴承孔型节流器对质量流量特性的影响, 并进行了一系列的模拟和试验.结果表明, 通过孔口的质量流量特性与通过喷嘴的质量流量特性不同.
空气静压轴承处于低转速工作时, 表现为静压效应; 但当轴承高速旋转工作时, 由于摩擦有相对运动, 故亦会产生动压效应.当动压效应达到一定程度时, 轴承成为动静压混合轴承, 由原本静压空气转变为动压静压混合空气轴承, 变为动静压混合润滑工作.考虑到动静压混合状态空气流动情况, 本研究使用计算流体动力学(CFD)的方法[10-12], 在数值模拟计算基础上分析动静压效应.通过数值模拟的方法求得比较精确的近似解, 在实际工作时, 空气在气体轴承间隙流动是较为复杂的三维流场, 因此使用三维模型更容易得到精确的结果.其他研究一般地都没有考虑到节流孔进口处的压力分析.本文通过模拟得出了节流孔进口处压力分布图, 并对其进行了分析, 为空气轴承的性能设计优化提供有效指导.
1 孔式静压径向轴承的结构参数和理论分析节流管在空气静压轴承中是一个重要组成部分, 有一定的阻抗, 具有压力调节的作用.气体静压节流方式主要有小孔节流、多孔质节流、表面节流、毛细管节流和狭缝节流等[13], 其中小孔节流方式又分为简单孔式节流器和环形孔式节流器.本文采用环形双排孔节流孔布置.
在轴承静止无工作状态时, 因轴承自重和载荷(总称为F)存在, 转轴与轴承内表面紧密接触, 无气膜存在.当工作时, 这时压缩空气经节流孔逐渐进入轴承间隙, 直到内部压力大于F时, 转轴被气体浮起, 气膜形成, 形成气浮垫[14].当工作稳定时, 转轴在气膜压力的支承下达到平衡.但因负载存在, 使得其产生了一定的偏心量e, 导致上下气膜表面压力不一样.负载变大时, 下气膜厚度减小, 气膜压力变大; 而上气膜厚度增大时, 气膜压力变小, 此时上下气膜表面会形成压力差W, W就是气膜承载力, 用来平衡外部负载, 使之内外压力平衡.
提高静压气体轴承的刚度和承载能力是优化气体轴承性能的重要方法, 多数由压缩的供气压力、轴承结构参数及气体的不同等因素确定.气体静压轴承结构主要参数见表 1.
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表 1 空气静压轴承结构的主要参数 Tab. 1 Main parameters of aerostatic bearing structure |
文献[8]对偏心率为0.1时的空气静压轴承做了一些相关研究.在文献[15]中偏心率为0.1~0.6, 研究并得出偏心率对承载力的影响结果:在一定范围内, 承载力和偏心率构成线性关系, 并且在偏心率为0.5时, 研究分析并得出了详细的结论.本文取偏心率为0.3进行一系列的研究分析.
通过计算轴承静态性能的近似公式[15], 对承载力性能进行近似的估算(在ε=0.3, 且
(1) 单个径向轴承的承载力W.根据公式:
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(1) |
式中:Cj=0.2, 单排孔供气; Cj=0.25, 双排孔供气; L=80 mm; D=60 mm; pa为环境压力, 即标准大气压力; ps为供气压力, ps=5.0×105 Pa; Cj为载荷系数, 它是轴承处于不同情况下, 各参数确定后, 可以承受的载荷与所能达的理论承载力之比.
本文采用的是径向双排孔供气轴承, 所以Cj=0.25.由式(1)代入数据得W=478 N.
由于空气可被压缩, 做出假设, 空气在轴承中的状态为等温过程, 空气静压轴承处于高速工作时, 表现为动静压混合过程, 轴承内气膜的压力P符合Reynolds方程[16]:
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(2) |
式中:μ为气体动力黏度; p为气膜压力; R为轴承的半径; ρ为气体密度; h0为轴承的平均气膜厚度; ε为轴承的偏心率; U为轴承两相对表面的运动速度.
Reynolds方程等式左侧为气膜压力变化参数, 而等式右侧各项展开, 会得到各种压力的各种效应.物理意义为: 
图 1为空气静压轴承动压效应.当轴承工作时, 因承载力W存在, 旋转中心为O2, 偏心量为e.当轴承绕轴高速旋转时, 由于与空气摩擦力存在, 气膜与轴接触的附面层空气将会随转轴一起旋转, 在图 1中X轴下, 气模的流动状态是由气膜较薄的一侧流进, 从气膜厚的一侧流出, 该范围的气膜受力较小; X轴上, 气膜层的流动状态是由气膜较厚一侧流进, 从气膜薄的一侧流出.形成了由小变大的扩大楔形间隙和由大变小的收敛楔形间隙, 满足动压效应形成的几何条件.故而轴承工作会有动压效应存在.
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图 1 空气静压轴承动压效应示意图 Fig. 1 Hydrodynamic effect of static pressure bearing |
本文采用双排小孔节流空气径向轴承, 节流管与轴承外壳为45°.本文主要研究气体经节流管进入轴承的空气状态.因此气体为主要对象, 以气体建立气膜模型, 采用SolidWorks建模软件, 如图 2所示.
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图 2 气膜模型 Fig. 2 Model of air film |
轴承工作时, 高压气体通过45°倾角的供气管进入到节流管时, 横截面发生了突变, 因此高压气体在流经节流突变口时, 使得速度与压力变化幅度较大.因此在此处进行了网格加密, 相对其他区域较密集, 如图 3所示.
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图 3 气膜网格 Fig. 3 Mesh of air film |
网格划分完, 导入到FLUENT计算, 求解器设置为基于压力的求解器(Pressure Based), 采用可实现性Realizable k-ε模型.此模型与标准k-ε模型、重整化群RNG k-ε模型相比, 优点是可以在雷诺应力上保持与真实湍流的一致, 可以更准确地模拟平面和圆形射流的扩散速度; 在旋转计算、带方向压强梯度的边界层计算和分离流计算等问题中, 计算更符合实际情况; 针对分离流计算和带二次流的复杂流动计算也较为准确.本研究进出口为压力边界条件, 轴承内表面设置为旋转面, 选用非平衡壁面函数, 采用SIMPLEC算法收敛计算.
3.4 仿真结果轴承工作时, 压缩气体经节流孔进入轴承间隙, 一部分沿着轴向流向两端和中间, 在中间会形成相对稳定的压力区; 轴承气膜内膜面, 由于气体存在黏性, 气膜层会随着壁面的旋转而转动, 旋转方向与轴承旋转方向一致.
空气静压轴承的供气压力、偏心率、轴承旋转速度、轴承的结构参数和气体性质等因素均会影响气体在轴承内的流动状态特性, 进而影响到轴承工作状态特性.本文主要针对偏心率为0.3时, 研究分析供气压力和轴承旋转速度对轴承承载力的影响规律.
进口压力0.5 MPa压缩空气, 均以45°进气, 出口压力均为大气压力.由图 4(a)~(d)可以看出, 压缩气体经45°节流管节流, 压力下降.由节流孔进入轴承时, 在节流管进口右侧形成了一个低压区, 并随着顺时针方向压力逐渐升高, 而不同轴承转速对压力分布具有一定的一致性, 即旋转速度对压力影响很小, 见图 4.
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图 4 供气压力和轴承旋转速度对轴承承载力影响 Fig. 4 Influence of gas supply pressure and bearing rotation speed on the bearing capacity of the bearing is studied |
轴承工作时, 供气孔、节流孔和轴承气膜外圆柱表面与轴承固定接触, 轴承固定.轴承气膜内圆柱表面与轴颈接触, 轴颈以一定的速度旋转.
在偏心率为0.3, 旋转速度为5 000 r/min的条件下, 分析不同进气压力下的轴承气膜内表面压力分布.由图 5可知, 一定转速情况下, 轴承气膜压强随着进气压强的增加承载力增加, 且压力分布更加均匀.
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图 5 不同进气压力条件轴承气膜内表面压力分布 Fig. 5 Pressure distribution of the bearing gas film |
通过气膜压力分布可对气膜压强积分计算得出气膜压力合力, 即轴承承载力W.在不同工况下积分所得承载力不同, 以此得出了不同进气压强和转速与承载力的关系.
由图 6(a)可知, 在偏心率为0.3, 进气压强为0.5 MPa时, 轴承的承载力在该气膜厚度下, 在转速的逐渐提高下, 承载力静压成平稳状态, 由静压与总压图可知轴承动压效应随转速的增大逐渐减小.
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图 6 不同因素对承载力的影响曲线 Fig. 6 Graph is different factors impact on the bearing capacity |
由图 6(b)可知, 在偏心率为0.3, 旋转速度为5 000 r/min时, 在不同供气压力下, 轴承的承载力随着供气压强的增加而增加, 动压效应越明显, 见图 6.
4 结论本文利用有限元数值模拟, 研究分析在一定偏心率下, 对空气静压轴承旋转工作时进行模拟计算, 得出结论:压缩气体经节流孔进入轴承时, 在节流孔右侧形成了一个低压区, 顺时针方向压力逐渐升高, 轴承转速对压力分布影响很小.轴承的承载力在一定气膜厚度和进气压强下, 随转速逐渐提高, 承载力逐渐下降, 成下降趋势.轴承承载力随着进气压强的增大成非线性增大, 动压也随着压强增大而增大, 动压变得更明显.一定旋转速度下, 随着进气压强的增大, 压力分布越均匀, 越适合轴承高效稳定的工作.研究结果为孔式节流空气静压轴承结构设计优化和在相关工程中的应用提供可靠性的指导及技术支撑.
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