单狭缝节流径向静压气体轴承的静态特性研究

， ， ， ， ， (.中原工学院 机电学院， 河南 郑州 450007； .大连海事大学 交通运输装备与海洋工程学院， 辽宁 大连 606)

引言

随着航空航天技术、微电子技术等现代化工业的飞速发展，工业制造对制造设备和测量仪器的精度要求也越来越高，因此发展超精密制造和测试技术成为我国高新技术发展领域的一个重要组成部分。气体静压轴承由于其低摩擦、高精度、洁净无污染和寿命长等优点，在超精密制造中具有突出的应用优势[1-5]。

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[6]，对于小孔节流，由于气腔的存在，承载力和刚度得到有效地提高，然而气腔容易导致“气锤”现象的发生，轴承稳定性相对较差[7]。多孔质节流具有较高承载和阻尼，然而对材料的特性要求较高，同时对气源的洁净度要求也较高[8]。环面节流稳定性较好，但是承载力低，刚度小。与小孔节流气体静压轴承相比，在相同尺寸时，狭缝节流气体静压轴承的供气点是连续分布的，减小了扩散效应和环向流动对轴承特性的不利影响，因此具有较高的承载、刚度及阻尼且稳定性好[9-11]。在传统研究与应用中，由于狭缝节流的微米级狭缝加工难度较高，因此研究相对较少。当前，随着加工技术的提高，狭缝加工问题基本得到解决，本研究针对狭缝节流径向静压气体轴承静态特性，采用Fluent软件进行建模计算，研究轴承长径比、节流狭缝宽度、节流狭缝深度、气膜厚度等对轴承静态特性的影响规律。

1 单狭缝节流径向静压气体轴承结构

图1所示为单狭缝节流径向静压气体轴承的结构示意图，L表示气体轴承的长度，D表示轴承的直径，H表示气体轴承狭缝的宽度，y表示气体轴承狭缝的深度，e表示转子的偏心距，ps表示轴承狭缝供气压力，pa表示轴承工作环境压力。

图1 狭缝节流径向轴承结构示意图

2 模型简化及边界条件设置

2.1 模型简化

压缩气体经过狭缝的节流作用，进入轴承工作间隙，速度降低，压力升高，形成具有一定压力和厚度的气膜，用以支撑转子。根据CFD流场建模规则，只考虑流道的影响，采用Gambit建立简化后的轴承流体模型，如图2所示。

2.2 边界条件设置

气体在轴承间隙流动时，气体的流速相对较快，热量短时间内来不及传递，认为气流与周围无热量交换，因此可将整个流动过程看作是绝热的[12]。

图2 轴承流体模型

同时，在Fluent仿真模拟过程中，为了简化计算，计算常引入以下假设：

(1) 气体为理想气体，润滑气体为牛顿流体；

(2) 气体在轴承间隙之间的流动为层流；

(3) 忽略体积力的作用；

(4) 气体的惯性力与粘性力相比可忽略不计；

(5) 壁面是绝对光滑的，不考虑壁面粗糙度的影响。

Fluent求解器边界条件的设置，进气口压力恒定ps为0.5 MPa，供气环境温度T为300 K，轴承出口处压力等于工作环境压力pa。边界条件设置完以后，利用Fluent求解器对模型方程进行离散、迭代求解。

3 Fluent仿真结果及分析

在Fluent软件对模型进行计算的过程中，方程迭代精度可达到10-7以上，迭代残差图如图3所示。本研究中轴承的静态特性主要是对比轴承的承载力、刚度、耗气量等参数。

图3 方程迭代残差线图

3.1 长径比对轴承特性的影响分析

结合狭缝的加工难度，取轴承节流狭缝宽度H为10 μm，狭缝深度y为20 mm，轴承偏心率ε为0.6，轴承直径D为100 mm，研究轴承长径比L/D对轴承特性的影响，轴承长径比L/D分别取0.25、0.5、0.6、0.8、1、1.6、2。

狭缝节流轴承长径比对轴承静态特性的影响关系曲线如图4所示。图4a中，轴承承载力随着长径比的增大先增大后减小，轴承长径比在1.6时最大。图4b中，当长径比L/D<1.4时，轴承刚度随长径比的增大而增大；轴承刚度在长径比为1.4～1.6时取得最大值；当长径比L/D>1.6时，轴承刚度随长径比的增大急速下降。图4c中，轴承的耗气量随着轴承长径比的增大而减小，其原因是随着轴承长径比的增大，流动阻力增大。

图4 长径比对轴承静态特性的影响

3.2 狭缝宽度对轴承静态特性的影响

根据长径比的影响规律分析，取轴承的长径比为1.6，狭缝深度y为20 mm，轴承偏心率ε为0.6，轴承直径D为100 mm，研究狭缝宽度H对轴承静态特性的影响，节流狭缝宽度H分别取4、6、8、10、12、14、16、18 μm。

狭缝宽度对轴承静态特性的影响关系曲线如图5所示。图5a中，当H=4～8 μm时轴承承载力随狭缝宽度的增大而增大，当H>8 μm时，轴承承载力随狭缝宽度的增大而减小。图5b中，轴承刚度随狭缝宽度的增大而减小，在H=5 μm处取得最大值206 N/μm。图5c中，轴承耗气量随狭缝宽度的增大而增大。

图5 狭缝宽度对轴承特性的影响

3.3 节流狭缝深度对轴承静态特性的影响

取轴承的节流狭缝宽度H大小为10 μm，长径比L/D为1.6，轴承偏心率ε为0.6，轴承直径D为100 mm，研究狭缝深度y对轴承静态特性的影响，狭缝深度y依次取5、10、20、30、50、60、70、80、90 mm。

狭缝深度对轴承静态特性的影响关系曲线如图6所示。图6a、图6b中，在y=5～20 mm时，轴承承载力及刚度随狭缝深度的增大而增大；在y=20～100 mm时，轴承承载力及刚度随狭缝深度的增大变化相对较小。图6c中，轴承耗气量随狭缝深度的增大而减小。

图6 狭缝深度对轴承特性的影响

3.4 气膜厚度对轴承静态特性的影响

取轴承的长径比L/D为1.6，狭缝宽度H为10 μm，狭缝深度y为20 mm，轴承直径D为100 mm，轴承偏心率ε为0.6，研究气膜厚度h对轴承静态特性的影响，气膜厚度h取8、10、12、14、16、18、20、24 μm。

气膜厚度对轴承静态特性的影响关系曲线如图7所示。图7a中，轴承承载力随气膜厚度的增大先增大后减小，并在h=10 μm时取得最大值。图7b中，在h=8～12 μm时轴承刚度随气膜厚度的增大而增大，在h=12～24 μm时轴承刚度随气膜厚度的增大而减小，并趋于零。图7c中，轴承耗气量随气膜厚度的增大而增大。

3.5 偏心率对轴承静态特性的影响

取轴承的长径比L/D为1.6，节流狭缝宽度H为10 μm，轴承直径D为100 mm，狭缝深度y为20 mm，气膜厚度h为10 μm，研究偏心率ε对轴承静态特性的影响， 轴承的偏心率ε分别为0、0.1、0.2、0.3、0.4、0.5、0.6、0.7、0.8、0.9。

图7 气膜厚度对轴承静态特性的影响

偏心率对轴承静态特性的影响关系曲线如图8所示。图8a中，偏心率为零时，轴承承载力为零，轴承承载力随气膜偏心率的增大而增大。图8b中，偏心率为零时，轴承刚度为零；在0.1～0.4范围内，刚度取得最大值；大于0.4时轴承刚度随偏心率的增大而减小。图8c中，轴承耗气量随偏心量的增大而减小。

4 结论

通过对单狭缝节流径向静压气体轴承静态特性的建模计算，得出以下结论：

(1) 在轴承其他参数确定的情况下，当轴承长径比取1.6时，轴承具有最大的承载力和刚度；

(2) 当狭缝宽度大于 8 μm时，狭缝宽度越大，轴承的承载、刚度越小，而耗气量增大；综合考虑狭缝加工的难易程度等因素，狭缝宽度H建议取10 μm；

(3) 节流狭缝深度越大，轴承静态特性越佳，但综合考虑制造难度，狭缝深度h在20 mm时最佳；

图8 偏心率对轴承静态特性的影响

(4) 气膜厚度存在最佳承载和刚度状态值；

(5) 偏心率在0.1～0.4时，轴承的刚度取得最大值；承载随偏心率的增大而增大，耗气量则相反。

参考文献：

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