基于气固耦合的静压气体轴承静态性能仿真研究

田洋 刘波 赵晓龙 董皓 姚慧

摘要： 为了探究静压气体轴承的静态性能，运用CFD软件进行气固耦合仿真，对可变节流静压气体止推轴承的静态性能相关影响因素进行研究，得到不同状况下的轴承静态性能变化规律。结果表明：可变节流静压气体轴承速度流场变化过渡更为平稳，可有效促进工作时稳定性;提高供气孔压力可以提高轴承的承载力和刚度，同时耗气量会明显增加;增大节流孔的直径可以有效提升轴承承载力，但峰值刚度反而下降，耗气量亦会增加。

Abstract： In order to explore the static performance of hydrostatic gas bearing， the gas-solid coupling simulation is carried out by using CFD software， the influencing factors of the static performance of variable throttle hydrostatic gas thrust bearing are studied， and the variation laws of the static performance of the bearing under different conditions are obtained. The results show that the transition of velocity and flow field of variable throttle hydrostatic gas bearing is more stable， which can effectively promote the stability during operation; When the pressure of the air supply hole is increased， the bearing capacity and stiffness of the bearing can be improved， and the air consumption will increase significantly; Increasing the diameter of the orifice can effectively improve the bearing capacity， but the peak stiffness decreases and the air consumption increases.

关键词： 可变节流;静压气体轴承;气固耦合;静态性能

Key words： variable throttle;aerostatic bearing;gas-solid coupling;static performance

中图分类号：TH133.36                                      文献标识码：A                                  文章编号：1674-957X（2022）03-0013-04

0  引言

氣体轴承拥有高精度、摩擦阻力小和低污染的优点，被广泛应用于精密机械设备中[1-3]。由于空气的可压缩性，导致静压气体轴承的承载力和刚度均有所下降，因此限制了静压气体轴承应用领域。

众多学者为了有效提高静压气体轴承的刚度和承载力进行了大量的研究。A.P.Hao等[4]通过FVM方法，研究三种自由度特殊节流腔特性，结果表明：剖面节流腔空气轴承具有更好的承载力。Nripen Mondal等[5]针对静压气体轴承动刚度和气锤的问题进行研究，对改变供气压力环境和节流孔也进行了分析比较，以期提升空气轴承的静态性能。Uichiro Nishio等[6]采用FDM方法进行数值计算，研究静压气体轴承的动静态特性，并加以实验结合验证。程志勇等[7]采用FDM方法并借助matlab编程，得到不同参数下的小孔节流气体轴承静态特性分布情况。Hiroshi Sawano等[8]提出了一种带金属薄板节流器以提升系统刚度和响应特性，金属薄板由于工作时两侧油压存在差值，出现弹性变形，通过调整固有节流器来补偿轴承间隙，从而获得良好的静态性能。李东升等[9]利用单向流固耦合的方法，分析了五种不同因素对止推型气体静压轴承的影响。赵晓龙等[10]提供了在轴承承载面增设弹性均压槽的思路，以此获得良好的静态特性。

从上述文献得知，目前对静压气体轴承的研究多集中于优化结构以提升轴承静态特性，忽略了轴承表面微小变形对轴承性能的影响。本文运用CFD软件进行气固耦合仿真分析，对可变节流静压气体止推轴承的静态性能相关影响因素进行研究，得到气膜流场的特性分布，以及供气压力Ps、节流孔直径d0对轴承承载性能的影响曲线，并对分析结果进行整理总结。

1  物理模型及控制方程

可变节流器静压气体轴承结构示意图如图1所示，该结构主要由轴承基体和薄板等部分构成，并在薄板表面加工出与气膜厚度相当的初始浅腔，起到聚气和平稳压力的作用。随着外部负载的改变，薄板部分受到内外压差的作用，产生相应的形变，从而导致节流面积的改变，实现可变节流，以此达到提升轴承刚度的效果。

2  气固耦合仿真

本次仿真使用DesignModeler软件创建轴承气体域模型，SolidWorks软件建立薄板模型。在ICEM中进行气体域模型网格划分，并对各边界进行命名。气体域全部采用六面体结构化网格，便于提升计算效率和减少数值误差。薄板结构比较简单，采用自动程序网格划分即可。本模型中气膜厚度为10μm，沿着纵向厚度方向等分5份。

主要结构参数和气体轴承模型网格分布如表1和图2所示。

3  仿真结果及分析

本文通过建立单孔气体轴承的气固耦合有限元模型，搭建Ansys Workbench中气固耦合分析模块，分别对气体域与固体域进行相应的初始化操作。计算过程中，通过System Coupling模块进行耦合面上数据的传递和交换，最后进行后处理查看结果。其余仿真参数如表2所示。

3.1  供气压力对变形量的影响

在气固仿真计算过程中，轴承表面薄板会受到气膜压力的作用，产生微小变形。随着气膜间隙h的改变，发现薄板也产生相应的形变，并呈现正向的增加趋势。当薄板材料选定304不锈钢，供气压力Ps在0.5MPa，气膜间隙为0.01mm，其余结构参数如表1所示。薄板在气膜压力作用下的整体变形结果如图3所示，可以看出在中心高压耦合区域变形明显，远离节流孔的部分几乎无变形。

为探究供气压力Ps对固体薄板变形量的影响曲线，因此取供气压力Ps（绝对压力）分别为0.4MPa、0.5MPa、0.6MPa，其他参数与表1相同，进行气固耦合分析，结果如图4所示。

从图4可以看出，在保持气膜间隙等因素不变时，随着供气压力的增加，变形量也在增大。气膜间隙h等于5μm时，固体薄板的变形量为1μm，可变节流器的最大深度为19μm，和初始的浅腔深度相同。随着供气压力的增大，最大变形量在数值上也随之增大。

3.2  变形量对流场分布的影响

薄板的变形对流场的分布有显著的影响，同时气体的运动状态对静压气体轴承气膜流场内的力学性能有着直接影响，所以通过选取穿过中心节流孔及气膜的纵截面，建立分析截面。则得到中心节流孔处的气膜流场速度云图，可以观察到气体在静压气体轴承中的运动状况。

由于模型具有对称性，故取其一半作为查看，选取三种不同气膜间隙h下的流场分布，分析变化产生的原因，结果如图5所示。

由图5可以看出，三种不同气膜间隙的静压气体轴承节流孔出口处附近气膜流场的速度，均表现出先增加后减小，位置靠近于气膜上、下壁面。从图5（a）到图5（c），静压轴承节流孔两侧均出现压力突降现象，但气膜的速度则呈现出突升现象，随着气膜间隙的增大，这种现象愈发明显。由于可变节流器具有均压浅腔，存在缓冲区，因此沿壁面方向速度损失较低，峰值速度出现在节流孔出口拐角处，且节流孔内与节流孔出口的速度变化较为平缓，因此工作时轴承性能更加平稳。

3.3 供气压力对轴承静态性能的影响

取供气压力Ps（绝对压力）为0.4MPa、0.5MPa、0.6MPa，其他参数与表1相同，进行气固耦合分析，探究不同供气压力下的轴承静态性能。结果如图6所示。

由图6（a）可知：承载力峰值，随着气膜间隙的增加而逐渐减小，最终走势趋于一条直线。图6（b）可知：轴承的刚度随供气压力增加而增大。当气膜间隙于7m时刚度最大，且最大值的位置基本一致。图6（c）可知：耗气量随供气压力呈现正向增长趋势，增长幅度基本相同。

3.4 节流孔直径对轴承静态性能的影响

取供气压力Ps（绝对压力）P=0.5MPa，节流孔直径分别为0.2mm、0.3mm、0.4mm，其他参数与表1相同，探究不同节流孔直径对轴承性能的影响。结果如图7所示。

从图7（a）可以看到，随着孔径增大，轴承的承载力也出现上升趋势，但增幅略微减小。由图7（b）可看出轴承刚度都随着气膜间隙的增大而呈现先增后减的现象。在同等条件下，孔径愈小，反而可以获得较大的刚度。由图7（c）可以看到，伴随着孔径的增大，耗气量也与之俱增。综合考虑，为得到更好的轴承性能，可优先选取孔径小的轴承。

4  结论

本文通过建立中心进气孔的可变节流静压气体轴承模型，利用CFD计算软件进行气固耦合仿真，分析轴承的主要几何参数对其静态性能的影响，得出如下结论：

①由于均压浅腔的存在，使得静压气体止推轴承的流场特性更平稳，进而有效提升轴承工作时的稳定性。②提升供气压力，轴承的静态特性参数都随之提高，但增速也逐渐变缓。改变单一参数时，可以提高其承载力但不能提高其刚度峰值，当气膜间隙h约为7um时，静压气体轴承同时兼备较高的承载力和刚度。③节流孔的直径越大，轴承的承载力也越大，但增大節流孔的直径会大幅降低轴承的峰值刚度，同时也会增加耗气量，因此，在轴承设计过程中，需要综合考虑节流孔直径对轴承承载力和刚度的影响。

参考文献：

[1]徐登峰，朱煜，尤政，等.空气轴承提高气浮系统稳定性的阻尼技术[J].纳米技术与精密工程，2010，8（01）：84-89.

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