不同长径比下狭缝节流气体静压轴承的特性研究

王仁宗， 朱继华， 李智浩

(中原工学院 机电学院， 河南 郑州 450007 )

气体静压轴承利用气体作为润滑剂，具有一定压力的压缩空气经节流器进入轴承工作间隙并形成压力膜，使转子与轴承工作面分离，进而支撑负载。在工作状态下，由于间隙中始终充满着气体，所以轴承工作面之间没有接触摩擦，从而减少了轴承的磨损，降低了轴承的发热量。因此，气体静压轴承在高速、高精度以及特殊工况等工作环境中具有很好的应用前景。气体静压轴承常用的节流方式有小孔节流、环面节流、狭缝节流、多孔质节流和表面节流等[1]。与其他节流方式相比，狭缝节流器的供气点是连续分布的，从而减小了扩散效应和环向流动对轴承特性的不利影响[2]。

国内外学者对狭缝节流静压轴承进行了一系列的研究。杜建军等研究了狭缝节流气体静压轴颈-止推轴承静态特性，并通过实测值对结果进行了验算[3]。刘暾研究了狭缝节流气体静压润滑方程式的离散化和相容性条件，使复杂的狭缝节流气体静压轴承有了统一的计算方法[4]。龙威等分析了不同节流器类型对空气静压气体导轨静态特性的影响，并得出狭缝节流是最合适的节流器类型[5]。李欢欢等对单狭缝节流径向静压气体轴承的静态特性进行了优化设计[6-7]。ISE等建立了一个有关轴承间隙和轴承静态特性的数值分析模型，分析了狭缝参数和轴承参数对轴承性能的影响[8]。SATISH等对在不同状态下狭缝节流液体动静混合轴承的狭缝圆周个数对称和非对称分布两种结构进行了对比，发现狭缝节流非对称分布动静压混合轴承具有更高的失稳速度；同时通过对该类型轴承的热力学特性的分析，发现因温度升高而引起的黏度变化对系统特性的影响较小[9-10]。

综上所述发现，在国内外学者对狭缝节流气体静压轴承的研究与应用中，对在不同狭缝节流气体静压轴承和不同长径比下的轴承特性的研究相对较少，本文对此展开了研究，并对比分析了狭缝类型、轴承直径、狭缝数量对狭缝节流气体静压轴承静态特性的影响规律。

1 模型建立

1.1 物理模型

采用FLUENT软件中的Gambit软件建立模型，根据CFD仿真建模的规则，即只考虑流道对流场的影响，因此气体静压轴承流场模型应包括狭缝进气道和气膜间隙两个部分[11]。

按照以下步骤进行非连续单狭缝节流气体静压轴承建模：

(1) 建立狭缝，狭缝为轴向厚度0.01 mm，直径为D1的圆柱；

(2) 建立进气狭缝，将圆柱分割成6个圆心角为15°和6个圆心角为45°的扇形作为分割面，删除圆心角为15°的扇形，保留圆心角为45°的扇形，即为进气狭缝；

(3) 建立直径为D2的圆柱，与之前的狭缝进行并集计算，得到组合体；

(4) 建立直径为D3(D2>D3)的圆柱，并将D3在x轴方向偏移0.004 mm，形成轴承偏心量；

(5) 将上述组合体和圆柱D3进行差集计算便得到轴承流体模型，建模过程如图1所示。

为便于网格划分，需要将模型6等分，非连续狭缝节流气体静压轴承模型如图2所示。对于非连续双狭缝轴承模型(图2(b))，建模时需要在轴承的轴向按照1∶2∶1的比例建立两个狭缝，两个狭缝分别位于整个轴向长度的1/4和3/4处。

图1 建模过程

(a) 单狭缝轴承模型

(b) 双狭缝轴承模型图2 非连续狭缝节流气体静压轴承模型

连续狭缝节流气体静压轴承建模方法与非连续气体静压轴承的建模方法基本类似，但不再对狭缝进行分割，连续狭缝节流气体静压轴承模型如图3所示。

(a) 单狭缝轴承模型

(b) 双狭缝轴承模型图3 连续狭缝节流气体静压轴承模型

1.2 网格划分

由于狭缝宽度、气膜厚度与轴承工作面的尺寸相差较大，为保证计算精度以及避免出现扭曲网格和负网格现象，采用分区划分法对非连续狭缝节流气体静压轴承进行网格划分，在进气面采用六面体网格，在承载面上采用五面体网格。而在进行连续狭缝节流气体静压轴承网格划分时，由于整个模型为一个连续的整体，为保证网格划分的连续性，进气面与承载面的网格均采用六面体网格。网格类型见图4。

(a) 六面体网格

(b) 五面体网格图4 狭缝节流气体静压轴承的网格划分类型

1.3 边界条件

在FLUENT仿真计算中，为了简化计算模型，常做以下假设和边界条件设置：

(1) 壁面是绝对光滑的，忽略壁面粗糙度的影响。

(2) 流场处于层流状态，忽略滑移和湍流的影响。

(3) 气体为理想气体，且为牛顿流体，气体的惯性力可忽略不计。

(4) 由于气体在气膜间隙的流动过程很短，热量来不及交换，因此假设流动过程绝热[12]。

(5) 环境压力为0.1 MPa，环境温度为300 K；

(6) 供气压力恒定，为0.6 MPa；供气温度为300 K；出口压力等于环境压力，出口温度为环境温度。

2 结果分析

2.1 连续狭缝下长径比对轴承静态特性影响

在连续狭缝下，分别取长径比为0.8、1.0、1.2、1.4、1.6来对气体静压轴承进行仿真；同时依据文献资料、轴承加工成本等，选择狭缝宽度为0.01 mm、狭缝深度为5 mm、气膜间隙为0.01 mm、偏心量为0.004 mm；直径分别取为50 mm、60 mm、70 mm。

2.1.1 连续双狭缝下长径比对轴承静态特性的影响

经测试，连续双狭缝下长径比对轴承特性的影响如图5所示。

(a) 长径比对承载力的影响

(b) 长径比对刚度的影响

(c) 长径比对耗气量的影响图5 连续双狭缝下长径比对轴承特性的影响

由图5可知：在不同长径比下，连续双狭缝节流气体静压轴承随着长径比的增大，承载力不断增大，且呈线性趋势；轴承刚度随着长径比的增大，先增大再减小而后趋于平稳，在长径比约为1处取得最大值；耗气量随着长径比的增大而减小。在相同长径比下，随着直径的增大，承载力逐渐增大；刚度先增大后减小；耗气量逐渐减小。

2.1.2 连续单狭缝下长径比对轴承静态特性的影响

经测试，连续单狭缝下长径比对轴承特性的影响如图6所示。

由图6可知：在不同长径比下，连续单狭缝节流气体静压轴承随着长径比的增大，承载力不断增大，且呈线性趋势；轴承刚度随着长径比的增大而增大；耗气量随着长径比的增大而减小，且呈线性趋势，并且轴承直径为60 mm和70 mm的耗气量明显大于直径为50 mm的耗气量。在相同长径比下，随着直径的增大，承载力逐渐增大；轴承刚度先增大后减小；耗气量在长径比小于1.15时逐渐增大，大于1.15时先增大后减小。

(a) 长径比对承载力的影响

(b) 长径比对刚度的影响

(c) 长径比对耗气量的影响图6 连续单狭缝下长径比对轴承特性的影响

2.2 非连续狭缝下长径比对轴承静态特性影响

在非连续狭缝下，同样取长径比为0.8、1.0、1.2、1.4、1.6进行建模仿真；同时依据文献资料、轴承加工成本等，选择狭缝宽度为0.01 mm、狭缝深度为5 mm、气膜间隙为0.01 mm、偏心量为0.004 mm；直径分别取为50 mm、60 mm、70 mm。

2.2.1 非连续双狭缝下长径比对轴承静态特性的影响

经测试，非连续双狭缝下长径比对轴承特性的影响如图7所示。

(a) 长径比对承载力的影响

(b) 长径比对刚度的影响

(c) 长径比对耗气量的影响图7 非连续双狭缝下长径比对轴承特性的影响

由图7可知：在不同长径比下，非连续双狭缝节流气体静压轴承随着长径比的增大，承载力先增大后减小，并且在长径比约为1时取得最大值；轴承的刚度随着长径比的增大，先增大再减小，在长径比为1.2～1.4时取得最大值；轴承直径为70 mm时，耗气量随着长径比的增大，先增大后减小，并且在长径比约为1时耗气量取得最大值，轴承直径为50 mm和60 mm时，耗气量随着长径比的增大而减小。在相同长径比下，随着直径的增大，承载力、刚度和耗气量都逐渐增大。

2.2.2 非连续单狭缝下长径比对轴承静态特性的影响

经测试，非连续单狭缝下长径比对轴承特性的影响如图8所示。

(a) 长径比对承载力的影响

(b) 长径比对刚度的影响

(c) 长径比对耗气量的影响图8 非连续单狭缝下长径比对轴承特性的影响

由图8可知：在不同长径比下，非连续单狭缝节流气体静压轴承随着长径比的增大，承载力先增大后减小，并且在长径比约为1.2时，取得最大值；轴承刚度随着长径比的增大，先减小再增大而后再减小，轴承直径为60 mm时，刚度在长径比为0.9～1.0时取得最小值，在长径比约为1.2时取得最大值；当轴承直径为50 mm和70 mm时，轴承在长径比约为1时取得最小值，在长径比约为1.4时取得最大值。当轴承直径为60 mm和70 mm时，耗气量随着长径比的增大，先增大后减小，并且在长径比约为1时耗气量取得最大值；当轴承直径为50 mm时，耗气量随着长径比的增大而减小。在相同长径比下，随着直径的增大，承载力和耗气量逐渐增大，轴承刚度先增大后减小。

3 结论

通过对狭缝节流气体静压轴承的静态特性进行建模计算，得出以下结论：

(1) 在连续狭缝情况下，两种狭缝节流气体静压轴承的承载力均随长径比的增大而增大，耗气量随着长径比的增大而减小；双狭缝气体静压轴承的刚度随着长径比的增大先增大后减小，并在长径比约为1处取得最大值；单狭缝气体静压轴承的刚度随着长径比的增大而不断增大。

(2) 在非连续狭缝情况下，两种狭缝节流气体静压轴承在长径比为1.2～1.4时有较好的刚度；双狭缝气体静压轴承在长径比约为1时有较高的承载力，单狭缝气体静压轴承在长径比约为1.2时有较高的承载力；当轴承直径为70 mm时，两种狭缝节流气体静压轴承耗气量随着长径比的增大，先增大后减小，并且在长径比约为1时最大；当轴承直径为50 mm时，两种狭缝节流气体静压轴承耗气量随着长径比的增大而减小；当轴承直径为60 mm时，单狭缝节流气体静压轴承耗气量随着长径比的增大，先增大后减小，并且在长径比约为1时最大，双狭缝节流气体静压轴承耗气量随着长径比的增大而减小。

(3) 在同一长径比下，4种狭缝节流气体静压轴承的承载力随着直径的增大而增大；连续狭缝和非连续单狭缝节流气体静压轴承的刚度随着直径的增大先增大后减小；非连续双狭缝节流气体静压轴承的刚度随着直径的增大而增大；连续双狭缝节流气体静压轴承的耗气量随着直径的增大而减小；连续单狭缝节流气体静压轴承的耗气量随着直径的增大，在长径比小于1.15时逐渐增大，大于1.15时先增大后减小；非连续狭缝节流气体静压轴承的耗气量随着直径的增大而增大。