高压重载平面止推气体轴承的流场特性研究

摘要

气体润滑是依靠几微米到几十微米间隙的气膜实现对机械运动部件的支撑。与滚动轴承及液体轴承相比，气体轴承具有速度高、精度高、摩擦功耗小及寿命长等优点。然而传统结构的气体轴承存在供气压力低，承载力小，刚度低的缺点，因此只能用于轻载精密支承，然而随着现代尖端工业技术的发展，迫切需要开发重载气体润滑系统。
　　 造成传统气体轴承供气压力低的原因在于，随着供气压力、工作间隙的增大，轴承间隙内气体流速从亚音速跨越到超音速，导致间隙内气体压力急剧下降，甚至出现负压，进而影响其承载力和刚性。由于轴承间隙内的流动过程复杂，在很长一段时期内，关于静压气体轴承超音速现象的研究一般建立在一维简化分析基础上，但由于激波与边界层的相互作用，一维简化分析的结果与实际偏离很大，不能真实体现流场特性。因而，有必要深入研究高供气压、大间隙气体轴承内的超音速间隙流动的机理，为开发高压重载气体轴承奠定理论基础。
　　 本文采用理论分析、数值模拟和实验相结合的方法，借助fluent软件平台，建立精确的流场模型，对间隙内流动进行数值模拟，详细探讨其内部的流场特性，研究流场内激波与边界层的相互作用。通过分析间隙内的气体状态，建立反映流场本质特性的简化数学模型，定性分析流场特性，通过改变轴承流道结构，达到提高轴承承载力的目的。主要研究工作如下：
　　 ①建立充分考虑惯性项、粘性项以及激波影响的整场数学模型，引入粘温方程，加入温度对粘性系数的影响。使用CFD软件采用层流模式对较小间隙下的轴承流场进行了较为准确的模拟。对较大间隙轴承流场，采用区域分解算法，将包括进气孔在内的轴承流场分为层流和湍流两部分，研究随着气膜厚度和供气压力的增加，斜激波与边界层的相互作用，气膜边界层的形态，以及气膜中斜激波结构的变化。
　　 ②以单进气孔平面气体轴承为研究对象，对进气孔附近流速较快的情况采用量纲分析的方法推导了能量方程，获得了温度和马赫数之间的关系式。建立包含惯性力影响的静压气体轴承的控制方程，采用压力修正算法计算随着供气压力和气膜厚度变化，粘性力和惯性力的变化趋势，及其对压力分布的影响。结果表明，随着供气压力和气膜厚度的增加，惯性力增强，压力下降幅度增大。
　　 ⑧根据间隙内气体流动的不同状态，建立了包含进气孔在内的超音速平面气体轴承分段流动模型，通过超音速状态下流量不变的条件，推导出超音速流场的压力、速度、马赫数和雷诺数简化公式，编制了计算程序，计算结果表明激波后的压力恢复最大值随供气压力的增大、气膜间隙减小、供气孔径增大而逐渐增大，为工程上预测压力与激波的关系提供理论参考。
　　 ④在较高供气压力和较大气膜间隙下，提出合理大承载轴承结构，即适当增加喉口面积，调整通流面积的变化提高间隙内的压力。通过轴承结构的参数化设计及数值模拟仿真，获得了不同工况、结构、尺寸下的设计方法和原则，得出了流场性能变化规律。通过压力和承载力测试，验证了理论模型和数值计算方法的可靠性。

目录

文摘

英文文摘

创新点摘要

第1章 绪论

1.1 引言

1.1.1 气体轴承在全物理仿真实验台中的应用

1.1.2 气体轴承在大型超精密机床中的应用

1.2 惯性力影响的气体轴承润滑理论研究

1.2.1 静压气体轴承惯性力影响的研究

1.2.2 超音速气体润滑轴承的研究

1.2.3 气体轴承满足雷诺润滑理论的条件

1.3 激波与边界层干扰的研究

1.4 本文研究的内容

第2章 基于N-S方程的静压气体轴承高压全流场数值计算

2.1 控制方程的建立

2.1.1 守恒型流体控制方程

2.1.2 控制方程的通用形式

2.1.3 动力粘性系数的选用

2.2 湍流模型的建立

2.2.1 湍流流动的Reynolds时均方程

2.2.2 SST к-ω湍流模型

2.3 边界条件

2.4 区域离散与网格划分

2.5 离散方程的建立与求解

2.5.1 离散方程的建立

2.52 离散方程的求解

2.6 高压下平面静压止推轴承流场特性分析

2.6.1 高压小间隙条件下轴承的流场特性

2.6.2 高压下轴承流场中激波与边界层的相互作用

2.6.3 高压大间隙条件下轴承的超音速流场特性

2.7 本章小结

第3章 高压下静压气体轴承性能的简化计算

3.1 静压气体轴承气膜入口区流动模型

3.1.1 纯粘性流体模型

3.1.2 充分发展的边界层发展流模型

3.1.3 超音速无粘流

3.2 惯性力影响的圆盘止推静压气体轴承能量方程

3.2.1 圆盘止推气体轴承能量方程的推导

3.2.2 温度-马赫数关系

3.3 惯性力和粘性力影响分析

3.3.1 控制方程的推导

3.3.2 压力修正方程的推导与解算

3.3.3 结果分析及验证

3.4 圆盘止推静压气体轴承超音速流场的简化计算

3.4.1 流场分段简化

3.4.2 流场的数学建模

3.4.3 超音速流场计算分析

3.5 本章小结

第4章 高压气体轴承的设计及特性分析

4.1 提高轴承间隙内压力的方法

4.2 带有锥腔结构的静压气体止推轴承流场仿真

4.2.1 静压气体轴承流道结构与间隙内压力的关系

4.2.2 中心进气锥腔结构静压气体止推轴承结构参数对流场性能影响

4.2.3 环形进气锥腔气体止推轴承流场计算

4.3 本章小结

第5章 高压下平面静压气体轴承的静特性实验

5.1 实验原理及装置

5.1.1 气源部分

5.1.2 加载及测量

5.1.3 气膜厚度测量

5.1.4 压力测量系统

5.2 平面止推静压气体轴承气膜压力分布的实验研究

5.2.1 平面轴承测压方案的设计

5.2.2 气膜压力分布的测试结果与讨论

5.3 静压气体轴承承载力特性的实验研究

5.4 本章小结

结 论

参考文献

攻读学位期间公开发表学术论文情况

致 谢