狭缝节流气体动静压轴承的承载特性解析

撰文/龚希美 张洪 张汉山

■450007 中原工学院机电学院 河南 新郑



狭缝节流气体动静压轴承的承载特性解析

撰文/龚希美 张洪 张汉山

■450007 中原工学院机电学院 河南 新郑

静压轴承的加压气体是从外部向内输入的，通过节流器向轴承中进入，进而发挥出润滑功效。因此，其主要特征即为节流效应；对应的，动压轴承是凭借轴承转动而生成转速，因为在气体的动力影响下出现了动压效果，进而发挥润滑的功能，其主要特征是速度效应。因此，分析计算动静压轴承的承载性能就会更加复杂，所以，就需要我们在实际工作中不断的总结经验，做到具体问题具体分析。狭缝节流气体；动静压轴承；承载特性

轴承有限元模型分析

混合润滑轴颈轴承是狭缝节流节流气体动压轴承中重要的组成部分，如下图所示，为该轴颈的主要结构示意图：

在上图中，转子直径用字母D表示，轴承的长度用L表示，偏心量用e表示，大气压力和供气压力用Pa 和Po来表示，节流狭缝入口处的直径可以用Ds来表示，转子的转速可以用w表示。

用平面的形式将轴轴承气膜展开，然后变化其相容性，就是将轴颈的半径R选取出来作为长度参照数值，轴向坐标可以用x表示，展开轴颈后的周向坐标可以用z来表示，狭缝的中心角坐标可以用φ表示，径向坐标用r表示。将两个变化制定出来，就轴颈部分而言，令z/R = Z，这样φ= z；就狭缝而言，lnr = g，可以在准迪卡尔坐标系中反射柱坐标系，下图为变化以后的坐标系。节流狭缝部分及承载气膜部分的雷诺方程式为：

在整个式子中，气膜的压力用p表示，气膜压力的平方用f表示，气膜的厚度用h表示，狭缝的宽度用a表示，A的值为12wR，并且它是因为转速而产生的轴承数。

为了把雷诺方程降低一级，可以应用加权余量法，而且需要将给整个计算域完成离散化处理，这时就可以应用到三角形单元。通过静压效应，会有单元刚度过阵出现在承载气膜区，并且，还有单元刚度矩阵存在于转速中。

通过分析能够发现，大气边界与供气边界上的节点压力平方为基本的边界线。能够明确的是，因为转速的影响，并非能够用线性方程组将最终所形成的压力方程组表示出来，因此，可以通过收敛方便、适应性强的最小二乘法进行方程求解，将各个点的压力求解出来后，在将承载能力计算出来。因为转速会对其带来影响，动压承载能力和静压承载能力的矢量和即为总的承载能力。当中，动压承载力可以用Wd表示，静压承载力为Ws，总的混合承载力为WH。

分析有限元计算结果

a轴承转速影响着承载能力

下图展示出了轴承转速对承载刚度、姿态角、承载能力等方面所带来的影响。能够看出，在不断的提升了转速之后，因为在某种程度上提升了动压效果，相应的也会增加刚度和承载能力；而且，具有越大的偏心率，就会有着越为明显的动压效果。然而，尽管转速会不断的升高，可是承载的能力并非会跟着其提升，当在某种程度下控制了转速之后，就不会再增大承载的能力。随着不断升高的转速，姿态角会先变大然后再变小，之后就会控制在一定的数值范围内。

b气膜间隙影响着承载能力

对于有转速动态条件下和无转速静态条件下的轴承运行情况，可以通过下图来进行分析与观察。通过分析能够发现，轴承的承载能力会受到不同气膜间隙的影响，同时，能够发现，在静态基础上，有着一个最为合适的匹配值ho/a = 2.5存在于节流狭缝宽度和承载气膜间隙中，这样就会有着最大的承载能力，但是，在动态的基础上，特别是存在较高转速的时候，因为动压现象所带来的影响，一旦有着越小的气膜间隙，就会有着越大的承载能力，进而也会具有越大的刚度。因此，一旦轴承在较高的转速下工作，并且会较高的要求着支撑刚度，在设计的过程中，可以将气膜的间隙适当的减小，进而增大动压效果所带来的一些影响，将刚度和承载能力提升。

c轴承程度会影响到承载能力

在动态和静态条件下，承载能力会受到不同轴承长度的影响。能够清晰的发现，在增大了轴承的长度之后，在动压作用下，也会明显的提升承载能力；对应的，也会提升其刚度，这就表明，在增加了轴承的长度之后，能够将动压的效果明显增大，将承载能力提升。

d轴承里面压力状况

还是在动态和静态的条件下，需要对比分析轴承内部的压力，能够发现，在静态的状态下，顺着圆周的方向，压力会呈现出左右对称的情况，通常周围压力会低于节流狭缝出口处的压力。对应的，动态状况下，特别是存在着较大的偏心、较高的转速时，这样压力在动压效果的影响下，顺着圆周的方向不会再出现对称的现象；并且，供气压力也会小于局部区域内的气膜压力，进而就会有负拱压现象出现在其中，而且通过节流狭缝将局部的气体流出来；对应的，会有负压现象出现在另外一些区域内。

结语

综上所述，在对狭缝节流气体动静压混合轴承承载特征进行研究时，可以应用有限元分析法。将数值计算模型购构建起来，然后，对 气膜的间隙、轴承的长度、供气压力和轴承的转速进行了分析，进而能够发现，这些因素都会在某种程度上影响到轴承的承载能力。计算得出，越高的转速，就会有着越明显的动压效果，从而就会有着越大的承载能力，就会有越大的姿态角度，较小的气膜间隙，对应的，就会有越突出的动压效果，将轴承长度增加，能够将动压的效果显著提升，从而将整个承载能力提升上来。那么，通过文章上文的分析，可以清晰的掌握与了解狭缝节流气体动静压轴承的承载特性，为相关工作人员在实际工作中提供一定的理论支撑。

参考：

［1］杜建军，刘暾，谢大纲，姚英学.狭缝节流气体动静压轴承的承载特性分析［J］.哈尔滨工业大学学报.2011（01）：563-565.

［2］张广辉.高速动静压混合气体轴承转子系统动力学特性研究［J］.哈尔滨工业大学.2011（01）：896-897.

［3］向洋，陈瀚，陈学东.周期分布压力腔的小孔节流圆形静压气体轴承静动态特性研究［J］.武汉理工大学学报.2012（02）：789-791.

［4］张雯，尹健龙，张玉冰，沈小燕，李东升.多微通道式气体静压节流器承载力研究［J］.机械工程学报. 2012（20） ：632-633.

［5］陈昌婷.高速气体轴承结构性能分析与实验研究［D］.中国科学院研究生院（工程热物理研究所）.2014.

作者简介：

龚希美，（1990-），女，河南新乡人，民族：汉，职称：学生，学历：研究生。研究方向：气体润滑轴承，超精密机械。