球面螺旋槽气体动压轴承静态特性分析

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(河南科技大学 机电工程学院， 河南 洛阳　471003)

引言

随着现代工业及高科技的迅猛发展，气体润滑轴承正在日益被人们所重视。气体轴承在运行时具有无噪声、摩擦小、不产生热量、振动小、寿命长，可在特殊环境中稳定工作，且不受磨损所限制等一系列优点[1，2]。球面螺旋槽气体动压轴承是一种新型结构的滑动轴承，它既可承受径向载荷又能承受轴向载荷，且结构紧凑，回转精度高，广泛应用于陀螺仪、姿态控制装置、旋转机械等设备中，无论是从性能上还是结构上都远优于其他类型的气体动压轴承[3]，有着十分广阔的应用前景。

目前，国内外学者广泛采用求解Reynolds方程的方法研究滑动轴承的气膜特性，该方法具有求解时间短的优点，但忽略了惯性力、彻体力和轴向、周向的剪切力等，影响了计算结果的精度。随着计算流体力学技术的发展和计算机性能的提高，通过CFD技术，可以分析任意轴承结构形式,利用流体动力学Fluent软件能兼顾求解其忽略项的影响，更精确地计算了轴承的流场特性[4-7]。

以球面螺旋槽动压气体轴承为研究对象，建立了球面螺旋槽气体动压轴承的润滑分析数学模型，基于CFD技术，采用流体动力学Fluent软件，通过分析球面螺旋槽气体动压轴承的槽深比、槽宽比、螺旋角、气膜间隙等主要运行参数和结构参数对气体轴承稳态气膜压力分布、轴承承载性能的影响规律，进而对球面螺旋槽气体轴承的结构参数进行优化。

1　有限元模型的建立

球面螺旋槽气体动压轴承由转子和定子两部分构成，转子上开有一定数量的螺旋槽，螺旋槽由槽区和台区组成，间隙较大的部分成为槽区，间隙较小的部分称为台区，如图1所示。当轴承高速旋转时，由于螺旋槽的存在，不仅能够使轴承产生阶梯效应，而且能够增加轴承的泵气效应，从而很好地提高气体轴承的动压效应[8]。

图1　球面螺旋槽气体动压轴承剖面示意图

在对螺旋线进行建模时，参照文献[9]，采用空间球坐标系，在三维建模软件Pro/E中建立球面螺旋槽气体动压轴承的三维气膜模型[9]，如图2所示。

2　模型假设与边界条件确定

2.1　模型假设

球面螺旋槽气体动压轴承的润滑分析数学模型，主要反映了气体轴承间隙内气膜压力的分布规律，为了进行求解计算，现做如下假设： ① 润滑介质为Newton流体，气体黏性系数为常数； ② 轴承间隙内的气体处于层流状态，且流向一致； ③ 气体与壁面间无热量交换，且旋转过程中，不考虑轴瓦与轴颈的热变形； ④ 在垂直于气膜的厚度方向上，速度变化可以忽略，即压力沿膜厚方向无变化； ⑤ 气体在轴和轴承表面不存在相对滑动； ⑥ 壁面假设光滑，不考虑壁面粗糙及滑移边界的影响。

图2　球面螺旋槽气体动压轴承三维气膜模型

2.2　边界条件的确定

(1) 轴承大端为压力进气口，轴承小端为压力出气口，且进气口、出气口的压力与外界环境压力相等，即p0=1.013×105Pa；

(2) 其他边界部分设置为壁面边界条件，壁面间没有热交换，气体与壁面之间无相对滑动。其中外壁面为固定壁面，内壁面为旋转壁面，且内壁面绕轴承的偏心位置旋转。

2.3　润滑分析数学模型的建立

采用Fluent软件模拟分析球面螺旋槽气体动压轴承转子周围的流场时，主要求解的方程有质量守恒方程、动量守恒方程[10]。

(1) 质量守恒方程

(1)

式中：ρ为气体密度；t为流动时间；div(u)为速度矢量u的散度。

(2) 动量守恒方程

(2)

对于气体润滑，由于气体在流动过程中的热交换很小，因此可以忽略不计，将其流动过程视为等温过程，不考虑能量守恒方程。

3　Fluent求解结果与分析

图3是径向无量纲偏心率ε=0.3，螺旋角β=70°，转速分别在60000 r/min、100000 r/min、150000 r/min时的球面螺旋槽气体动压轴承的三维气膜压力分布云图。从气膜压力分布云图可以看出，随着转速n的增加，轴承的气膜压力随之增大，气体轴承的气膜压力在整个周向上是由大到小，再由小到大分布的。

图3　不同转速下的轴承气膜压力云图

图4为气体轴承图3b中，转速n=100000 r/min，从进气口到出气口方向的轴向截面Z=1.5 mm处轴颈周向上的气膜压力分布规律。在周向上由于无量纲偏心率ε的存在，5个斜置螺旋槽承受的气膜压力并不是按气体轴承的中心对称分布的，气体周期性的流过槽区与台区，气膜压力曲线在槽台交界处出现5次较大的压力突变，压力在周向呈锯齿形分布，在收敛域内气膜压力上升，在扩散域内气膜压力下降，在槽台交界处气膜压力达到最大值，在有螺旋槽的区域内，气膜压力较大，动压效应更为明显。因此气体轴承的动压效应受转速的影响比较大，转速越高，动压效应越明显。

图4　周向气膜压力分布

4　球面螺旋槽气体动压轴承承载力的影响因素

图5　槽宽比对承载力Wz影响的变化曲线

图6　槽深比对承载力Wz影响的变化曲线

图7　螺旋角β对承载力Wz影响的变化曲线

图8　气膜间隙h0对承载力Wz影响的变化曲线

5　结论

(1) 根据气体润滑理论，建立了球面螺旋槽气体动压轴承的润滑分析数学模型，采用流体动力学Fluent软件，对球面螺旋槽气体动压轴承间隙内复杂的流场特性进行精确的计算分析,可以更有效地分析气体轴承润滑性能，在进行轴承设计时可以有效的缩短设计周期；

(2) 球面螺旋槽气体动压轴承随着转速的升高，气膜的压力也随着增大。由于气体轴承的表面开有一定数量的螺旋槽，气膜压力曲线在槽台交界处出现5次压力突变，在周向上气膜压力成锯齿形分布，且在槽台交界线处气膜压力达到峰值；在径向方向上，球面螺旋槽气体动压轴承径向压力沿着槽向内增加，一直到有槽区域与无槽区域的交界处达到峰值，然后气膜压力向内减小，一直减小到气膜压力与外界环境一样为止。因此，螺旋槽的存在不仅能很好地实现气体动压轴承的动压效应，而且能提高轴承的稳态承载特性；

(3) 在不同的旋转速度下，球面螺旋槽气体动压轴承的结构参数槽宽比、槽深比、槽数和气膜间隙的变

化对轴承承载特性的影响比较明显。因此，在设计轴承时应合理的选择设计参数，有助于改善润滑性能，提高轴承的稳态承载特性。

参考文献：

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[4]卢志伟,魏明明,刘波.圆锥型螺旋槽气体动压轴承气膜压力分析[J].西安工业大学学报, 2008,(3):224-228.

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[10]马文琦，刘福强.高压气体球轴承的流场特性研究[D].大连：大连海事大学，2011.

[11]卢志伟，刘波，张君安.风力驱动气体动压轴承性能研究[D].西安：西安工业大学，2008.