高壓重載平面止推氣體軸承的流場特性研究.pdf

1、氣體潤滑是依靠幾微米到幾十微米間隙的氣膜實(shí)現(xiàn)對機(jī)械運(yùn)動部件的支撐。與滾動軸承及液體軸承相比，氣體軸承具有速度高、精度高、摩擦功耗小及壽命長等優(yōu)點(diǎn)。然而傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的氣體軸承存在供氣壓力低，承載力小，剛度低的缺點(diǎn)，因此只能用于輕載精密支承，然而隨著現(xiàn)代尖端工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，迫切需要開發(fā)重載氣體潤滑系統(tǒng)。
　　 造成傳統(tǒng)氣體軸承供氣壓力低的原因在于，隨著供氣壓力、工作間隙的增大，軸承間隙內(nèi)氣體流速從亞音速跨越到超音速，導(dǎo)致間隙內(nèi)氣體壓力急

2、劇下降，甚至出現(xiàn)負(fù)壓，進(jìn)而影響其承載力和剛性。由于軸承間隙內(nèi)的流動過程復(fù)雜，在很長一段時期內(nèi)，關(guān)于靜壓氣體軸承超音速現(xiàn)象的研究一般建立在一維簡化分析基礎(chǔ)上，但由于激波與邊界層的相互作用，一維簡化分析的結(jié)果與實(shí)際偏離很大，不能真實(shí)體現(xiàn)流場特性。因而，有必要深入研究高供氣壓、大間隙氣體軸承內(nèi)的超音速間隙流動的機(jī)理，為開發(fā)高壓重載氣體軸承奠定理論基礎(chǔ)。
　　 本文采用理論分析、數(shù)值模擬和實(shí)驗相結(jié)合的方法，借助fluent軟件平臺，建立

3、精確的流場模型，對間隙內(nèi)流動進(jìn)行數(shù)值模擬，詳細(xì)探討其內(nèi)部的流場特性，研究流場內(nèi)激波與邊界層的相互作用。通過分析間隙內(nèi)的氣體狀態(tài)，建立反映流場本質(zhì)特性的簡化數(shù)學(xué)模型，定性分析流場特性，通過改變軸承流道結(jié)構(gòu)，達(dá)到提高軸承承載力的目的。主要研究工作如下：
　　 ①建立充分考慮慣性項、粘性項以及激波影響的整場數(shù)學(xué)模型，引入粘溫方程，加入溫度對粘性系數(shù)的影響。使用CFD軟件采用層流模式對較小間隙下的軸承流場進(jìn)行了較為準(zhǔn)確的模擬。對較大間隙

4、軸承流場，采用區(qū)域分解算法，將包括進(jìn)氣孔在內(nèi)的軸承流場分為層流和湍流兩部分，研究隨著氣膜厚度和供氣壓力的增加，斜激波與邊界層的相互作用，氣膜邊界層的形態(tài)，以及氣膜中斜激波結(jié)構(gòu)的變化。
　　 ②以單進(jìn)氣孔平面氣體軸承為研究對象，對進(jìn)氣孔附近流速較快的情況采用量綱分析的方法推導(dǎo)了能量方程，獲得了溫度和馬赫數(shù)之間的關(guān)系式。建立包含慣性力影響的靜壓氣體軸承的控制方程，采用壓力修正算法計算隨著供氣壓力和氣膜厚度變化，粘性力和慣性力的變化趨

5、勢，及其對壓力分布的影響。結(jié)果表明，隨著供氣壓力和氣膜厚度的增加，慣性力增強(qiáng)，壓力下降幅度增大。
　　 ⑧根據(jù)間隙內(nèi)氣體流動的不同狀態(tài)，建立了包含進(jìn)氣孔在內(nèi)的超音速平面氣體軸承分段流動模型，通過超音速狀態(tài)下流量不變的條件，推導(dǎo)出超音速流場的壓力、速度、馬赫數(shù)和雷諾數(shù)簡化公式，編制了計算程序，計算結(jié)果表明激波后的壓力恢復(fù)最大值隨供氣壓力的增大、氣膜間隙減小、供氣孔徑增大而逐漸增大，為工程上預(yù)測壓力與激波的關(guān)系提供理論參考。