高速微通槽静压气体轴承承载性能及流场特性研究

摘要

气体润滑是当今科技时代迅速发展的科研技术之一，是在高转速、超精密设备得以应用的关键技术。其中，静压气体轴承是气体润滑领域中最典型的代表，其以高转速、温升小、低能耗、无污染等特点在超精密加工中凸显优势，但承载力低、刚度小一直是静压气体轴承应用的软肋。本文以最常见的小孔节流静压气体轴承为研究对象，运用计算流体力学（Computational Fluid Dynamics，缩写CFD）的方法，通过引入微通槽的结构研究槽的开设形式、结构参数等对静压气体轴承静特性及气膜流场特性的影响规律，分析扰动频率、供气压力与轴承动特性的关系，并对静压气体轴承转子的模态加以求解，旨在增强静压气体轴承承载性能，提高其旋转精度，改善其应用的局限性。基于CFD方法研究静压气体轴承气膜流场特性及承载性能是气体润滑技术中的重要课题，对提高静压气体轴承性能、发展高转速设备、超精密加工等领域具有极其重要的价值和意义。
　　本文利用Fluent软件对无微通槽小孔节流静压气体轴承、轴向微通槽静压气体轴承、周向微通槽静压气体轴承、轴向周向全通槽静压气体轴承四种轴承的气膜流场模型进行仿真，分析微通槽的开设形式对静压气体轴承气膜流场分布的影响，得出相同供气压力下，四种高转速轴承模型承载力与刚度的变化规律，揭示微通槽对小孔节流静压气体轴承静特性的影响机制，为寻求微通槽的最佳开设方式提供参考依据。
　　基于静压气体轴承微通槽的最佳开设形式，通过改变微通槽周向角，研究气膜流场的变化规律;通过设定不同的槽深槽宽，分析轴承承载力与气膜刚度的变化趋势;以矩形、三角形、椭圆形三种截面形状的微通槽静压气体轴承模型进行CFD求解和对比分析，找出不同气膜厚度下具有较高承载特性的最佳微通槽截面形状。微通槽的几何特征对静压气体轴承影响规律的研究是寻求提高气体轴承使用性能方法的基础。
　　利用Fluent软件对静压气体轴承的动特性进行仿真求解，设定高低不等的扰动频率、改变大小不同的供气压力得出静压气体轴承动态刚度及动态阻尼的变化趋势;利用ANSYS Workbench软件对轴承转子进行模态分析，求解各阶振型下的固有频率。静压气体轴承动特性与轴承转子的分析求解，对保证静压气体轴承具备较高加工精度及平稳工作状态有重要意义。
　　基于CFD方法分析静压气体轴承承载性能的相关因素，寻求提高轴承使用性能的最佳开设形式、结构参数是推进气体润滑技术发展的重要途径。

目录

摘要

1 绪论

1．1 课题背景及研究意义

1．2 气体轴承的分类及工作原理

1．3 气体轴承的研究概况

1．3．1 气体轴承的国外研究与应用

1．3．2 气体轴承的国内研究与应用

1．4 主要研究内容

2 高速微通槽静压气体轴承建模及基本理论分析

2．1 高速静压气体轴承的主轴结构

2．2 微通槽静压气体轴承结构模型的建立

2．2．1 无微通槽小孔节流静压气体轴承的结构

2．2．2 开设轴向微通槽的静压气体轴承结构

2．2．3 开设周向微通槽的静压气体轴承结构

2．2．4 开设轴向和周向微通槽的静压气体轴承结构

2．3 静压气体轴承的基本理论

2．3．1 基本假设

2．3．2 气体力学的基本方程

2．3．3 雷诺方程的推导

2．4 利用Fluent软件求解气体润滑问题

2．5 本章小结

3 高速微通槽静压气体轴承静特性及流场特性分析

3．1 静压气体轴承静特性的计算流体力学基本理论

3．2 微通槽静压气体轴承模型求解条件的建立

3．2．1 微通槽静压气体轴承结构参数的设计

3．2．2 四种模型网格的划分

3．2．3 边界条件的设置

3．3 Fluent求解结果分析

3．3．1 四种模型的气膜流场分析

3．3．2 微通槽对静压气体轴承的作用

3．3．3 不同偏心率下微通槽对静压气体轴承的影响

3．4 本章小结

4 周向微通槽结构参数对轴承静特性及流场特性的影响

4．1 微通槽周向角对轴承承载力及流场特性的影响

4．1．1 不同周向角微通槽静压气体轴承的模型建立

4．1．2 周向角对轴承承载力及流场特性的影响分析

4．2 微通槽槽深槽宽对轴承静特性的影响

4．2．1 深度对轴承静特性的影响分析

4．2．2 宽度对轴承静特性的影响分析

4．3 微通槽截面形状对轴承静特性的影响

4．3．1 不同截面形状的周向微通槽静压气体轴承模型的建立

4．3．2 截面形状对轴承静特性的影响分析

4．4 本章小结

5 高速微通槽静压气体轴承动特性及转子模态分析

5．1 基于Fluent静压气体轴承动特性的理论分析

5．2 轴承动特性仿真结果分析

5．2．1 扰动频率对动特性的影响

5．2．2 供气压力对动特性的影响

5．3 静压气体轴承转子模态分析

5．3．1 模态分析的理论基础

5．3．2 模态分析过程

5．3．3 模态结果与计算分析

5．4 本章小结

结论

参考文献

攻读学位期间发表的学术论文

致谢

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