凹面状态下多孔质节流气体静压止推轴承的特性研究

于贺春， 张国庆， 陈军平， 赵惠英， 赵则祥， 侯晓帅

(中原工学院， 郑州 450007)



凹面状态下多孔质节流气体静压止推轴承的特性研究

于贺春， 张国庆， 陈军平， 赵惠英， 赵则祥， 侯晓帅

(中原工学院， 郑州 450007)

摘要：针对凹面状态下多孔质节流气体静压止推轴承特性，采用Fluent软件进行流场计算，分析凹面高度和凹面弦长对气体静压止推轴承静态特性的影响，同时，对比研究凹面和理想平面时供气压力和气膜间隙对压力分布的影响，得出如下结论：随着凹面弦长的增大，凹面多孔质节流气体静压止推轴承的压力分布越均匀，轴承承载力减小，但刚度和耗气量增大；随着凹面高度的增大，凹面多孔质节流气体静压止推轴承的压力分布越均匀，但轴承承载力和刚度减小，且耗气量增大；在凹面状态下，由于流场内压力分布相对均匀，在供气压力增大或气膜间隙减小时，轴承的承载力及刚度变化更加明显。

关键词：多孔质；气体静压；压力分布；凹面

气体静压轴承因具有摩擦系数小、精度高、寿命长和无污染等优点，在超精密加工和检测设备中得到了广泛应用。美国Moore公司及日本东芝公司的超精密车床主轴均采用气体静压轴承，主轴回转精度均优于25 nm，可以实现镜面车削[1-2]。德国马尔公司的MMQ400圆柱度仪中转台也采用了气体静压轴承，其回转精度优于10 nm[3]。

与其他类型的节流方式相比，多孔质节流气体静压轴承具有压力分布均匀、承载力高、阻尼特性好等优点，长期以来都是静压气体轴承领域的研究热点之一[4-5]。

杜金名等对小孔节流和石墨多孔质节流两种节流方式进行了对比研究，结果表明，多孔质节流气体静压轴承具有更好的承载能力[6]；于雪梅采用Fluent软件对理想状态下局部石墨多孔质节流气体静压止推轴承的压力分布进行计算，研究了多孔质节流塞的直径和高度对轴承压力分布的影响[7]。

王贵林等研究了基于陶瓷多孔质材料的高刚度高阻尼空气静压导轨[8]；田富竞等针对不锈钢多孔质材料制成的气体静压轴承，研究了其相应的加工方法、工作参数及多孔质材料的结构参数[9]；禹静等以孔式节流静压气体轴承为研究对象，设计了一种凹面气体静压导轨，研究结果表明，其流场内压力分布比较均匀[10]。

综上所述，多孔质节流气体静压轴承具有较高的研究和应用价值，同时凹面设计有助于改善气体静压轴承流场压力分布的均匀性。本文将石墨多孔质节流和凹面设计相结合，充分发挥二者的优点，从凹面参数、供气压力和气膜间隙三方面，研究凹面状态下多孔质节流气体静压止推轴承的特性。

1模型建立

图1　多孔质节流气体静压凹面止推轴承的结构

图2所示为多孔质节流气体静压止推轴承的网格划分模型。对该模型分析时，假设整个止推轴承为静态。因为整个物理模型是轴对称的，所以建模计算时只对一半模型建模及网格划分，选取JK为旋转轴。

图2　多孔质节流气体静压止推轴承的网格划分模型

2边界条件及参数设定

2.1边界条件

①工作介质为理想气体，气体在气膜间隙内的流动为层流；②壁面是绝对光滑的，不考虑粗糙度对整个分析的影响；③气体整个流动过程是绝热的；④多孔质材料透气均匀，且内部各向同性。

2.2参数

3结果分析

图3为采用Fluent软件计算的残差迭代图。从图3可以看出，当计算迭代进行到第700次时，在水平面上X、Y两个方向的气体流动速度及连续性的残差迭代精度均达到了10-14，计算收敛效果较好。因此，该分析模型的网格划分及边界条件设置是合理的，能够用于多孔质节流气体静压止推轴承特性的计算分析。

图3　残差迭代图

3.1凹面弦长对轴承特性的影响

取供气压力0.5 MPa、气膜间隙5 μm、凹面高度20 μm，在0～15 mm范围内改变凹面弦长，所得到的轴承压力分布如图4所示。从图4可以看出，当凹面弦长为0(即整个多孔质节流块表面为理想平面)时，压力分布最大值为0.399 MPa；当凹面弦长等于直径，即达到最大值15 mm时，压力分布最大值为0.195 MPa；轴承压力分布的最大值随着凹面弦长的增大而减小；轴承凹面弦长为0～6 mm时，其承载面压力分布值相对于凹面弦长为6～15 mm时变化速度小；随着凹面弦长的增加，压力分布曲线接近于直线的范围变大。

图4　凹面高度一定且凹面弦长变化的轴承压力分布

图5为多孔质凹面高度一定且弦长变化时计算得到的轴承承载特性曲线。弦长为0～6 mm时，承载力、刚度和耗气量的变化不大，近似恒定；弦长在6～15 mm范围内递增时，承载力、刚度和耗气量的变化较大。承载力减小而轴承刚度及耗气量增加，是因为此范围内的轴承内流场压力也发生了比较明显的变化。对轴承刚度关注度比较高的地方可以使用此类设计。

(a)承载力随凹面弦长变化的曲线

(b)刚度随凹面弦长变化的曲线

(c)耗气量随凹面弦长变化的曲线图5　凹面高度一定且凹面弦长变化的轴承特性曲线

3.2凹面高度对轴承特性的影响

取供气压力0.5 MPa、气膜间隙5 μm、凹面弦长15 mm，轴承凹面弦长为固定值，在0～40 μm范围内改变凹面高度,所得到的压力分布曲线如图6所示。

图6　凹面弦长一定且凹面高度变化的轴承压力分布

从图6可以看出，当凹面高度为0(即整个多孔质节流块表面为理想平面)时，压力呈凸面分布，即从轴承中心到轴承边缘的压力逐渐减小至大气压，并且变化程度比较明显，相应的轴承高压区承载面积比较小；随着凹面高度的增加，流场压力分布趋于平直状态；当凹面高度达到20 μm以后，在0～12 mm的轴承径向长度范围内，压力分布线接近于直线，但压力分布曲线随着凹面高度的增加而逐渐降低。

图7为凹面弦长一定时改变凹面高度所得到的轴承特性曲线。当轴承凹面弦长一定时，随着轴承凹面高度的增加，轴承的承载力和刚度逐渐减小，而轴承的耗气量逐渐增大，整个轴承特性趋向变差。

3.3供气压力对止推轴承压力分布的影响

图8为理想平面状态下不同供气压力时止推轴承的流场压力分布曲线。其中，轴承气膜间隙5 μm，为固定值。在分析中，供气压力依次为0.3 MPa、0.4 MPa、0.5 MPa和0.6 MPa。可以看出，随着供气压力的增大，流场的压力分布整体提高。

图9为凹面状态下不同供气压力时止推轴承的流场压力分布曲线，对应的凹面高度为20 μm，弦长为15 mm。从图9可以看出，随着供气压力的增加，止推轴承承载面的压力分布曲线变化一致，但是压力值不同，相同位置的压力值随着供气压力的增加而增大。

对比图8和图9可知，凹面状态下流场压力的分布曲线相对平直；若提高供气压力，承载力及刚度的提高将会更加明显。

(a)承载力随凹面高度变化的曲线

(b)刚度随凹面高度变化的曲线

(c)耗气量随凹面高度变化的曲线图7　凹面弦长一定且凹面高度变化的轴承静态特性曲线

图8　理想平面状态下不同供气压力的流场压力分布曲线

图9　凹面状态下不同供气压力的流场压力分布曲线

3.4气膜间隙对止推轴承压力分布的影响

图10为理想平面状态下不同气膜间隙时止推轴承的流场压力分布曲线，对应设置的气膜间隙分别为5 μm、10 μm、15 μm、20 μm。从图10可以看出，气膜间隙为5 μm的最大压力值是气膜间隙为20 μm的7倍左右；整个承载面的压力分布呈凸面分布，从轴承中心到轴承边缘的压力越来越小，并且同一位置的压力随着气膜间隙的增加而减小；压力分布值等高线随着间隙的增大而越来越趋近于直线，压力分布越来越均匀。

图10　理想平面状态下不同气膜间隙的流场压力分布曲线

图11为凹面状态下不同气膜间隙时止推轴承的流场压力分布曲线，对应的凹面高度为20 μm，弦长为15 mm，供气压力为0.5 MPa。从图11可以看出，随着气膜间隙的增加，止推轴承承载面的压力分布曲线越来越趋近于直线，但是压力值越来越小。为了保障轴承足够的承载力，在实际应用中应当选取5～10 μm的气膜间隙。

图11　凹面状态下不同气膜间隙的流场压力分布曲线

对比图10和图11可知，凹面状态下流场压力分布曲线相对平直；若减小气膜间隙，承载力及刚度的提高将会更加明显。

4结语

(1)随着凹面弦长的增大，凹面多孔质节流气体静压止推轴承的压力分布越均匀，其承载力减小，但刚度和耗气量增大。

(2)随着凹面高度的增大，凹面多孔质节流气体静压止推轴承的压力分布越均匀，轴承承载力和刚度减小，但耗气量增大。

(3)凹面状态下，提高供气压力或减小气膜间隙，多孔质节流气体静压止推轴承的承载力和刚度的增加将会更加明显。

参考文献：

[1]熊万里, 侯志泉, 吕浪,等. 气体悬浮电主轴动态特性研究进展[J]. 机械工程学报, 2011, 47(5):40-58.

[2]吴云锋, 陈洁. 精密超精密加工技术综述[J]. 新技术新工艺, 2007(6):38-40.

[3]秦静, 李玲莉, 张道勇. 圆柱度仪系统误差的验证分析及消除[J]. 航空精密制造技术, 2011, 47(4):20-23.

[4]梁迎春，陈国达，孙雅洲，等. 超精密机床研究现状与展望[J]. 哈尔滨工业大学学报，2014，46(5)：28-39.

[5]杜金名.多孔质流体静压轴承润滑技术的研究[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学，2003.

[6]杜金名，卢泽生，孙雅洲. 气体静压小孔节流与多孔质节流性能的比较[J]. 润滑与密封，2002(4)：2-3.

[7]于雪梅.局部多孔质节流气体静压轴承关键技术的研究[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学，2007.

[8]王贵林, 李圣怡, 粟时平. 基于超精密应用的高刚度高阻尼空气静压导轨研究[J]. 航空精密制造技术， 2001(12): 1-5.

[9]田富竞，尹自强，王建敏，等. 多孔质节流空气静压轴承静态性能实验研究[J]. 航空精密制造技术，2011，47(5)：5-8.

[10]禹静，满楠，李东升，等.凹面气体静压导轨的设计[J].计量学报， 2009，30(5A):137-140.

(责任编辑：王长通)

收稿日期：2016-04-11

基金项目：国家自然科学基金项目(51405523)；郑州市科技攻关项目(121PPTGG363-6)

作者简介：于贺春(1982-)，男，河南西平人，副教授，博士，主要研究方向为精密制造技术及装备。

文章编号：1671-6906(2016)03-0007-05

中图分类号：TH133.3

文献标志码：A

DOI:10.3969/j.issn.1671-6906.2016.03.002

Research on the Characteristics of Porous Throttling Aerostatic Thrust Bearings with Concave Working Surface

YU He-chun， ZHANG Guo-qing， CHEN Jun-ping， ZHAO Hui-ying， ZHAO Ze-xiang， HOU Xiao-shuai

(Zhongyuan University of Technology， Zhengzhou 450007， China)

Abstract:According to the characteristics of porous throttling aerostatic thrust bearings with concave working surface, the Fluent software is used for the flow field calculation. The influence of the concave surface height and the concave chord length on the static characteristics of aerostatic thrust bearings are analyzed. At the same time, the influence of the gas pressure and the film clearance on the pressure distribution under the concave and the ideal working surface are compared and discussed. The following conclusions are drawn: with the increases of the concave chord length，the pressure distribution of porous throttling aerostatic thrust bearings with the concave working surface becomes more uniform，the bearing capacity decrease，the bearing stiffness and the gas consumption increase; with the increase of the concave height，the pressure distribution also becomes more uniform，the bearing capacity and the bearing stiffness decrease，and the gas consumption increase; under concave working surface state, because the pressure distribution field is relatively uniform, the increase of gas supply pressure or the decrease of gas film clearance, the bearing capacity and stiffness change more.

Key words:porous; aerostatic; pressure distribution; concave working surface

于贺春：博士，副教授，中原工学院青年拔尖人才、青年骨干教师。2005年获得大连海事大学轮机工程专业学士学位，2011年获得大连海事大学轮机工程专业博士学位。主要从事精密气体轴承-转子系统的结构设计、轴承流场特性分析、金刚石线切割技术等方面的研究。参与完成了国家自然基金重点项目和面上项目各1项、国家高技术研究发展计划项目1项、高档数控机床与基础制造装备国家科技重大专项项目1项。目前主持国家自然科学基金青年基金项目1项，参与国家自然科学基金面上项目1项，主持河南省教育厅科学技术研究重点项目1项，主持郑州市科技攻关项目1项。发表学术论文20余篇，其中EI收录8篇；授权发明专利2项；出版专著2部。