球面螺旋槽氣體動壓軸承靜態特性分析

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(河南科技大學 機電工程學院， 河南 洛陽　471003)

引言

隨著現代工業及高科技的迅猛發展，氣體潤滑軸承正在日益被人們所重視。氣體軸承在運行時具有無噪聲、摩擦小、不產生熱量、振動小、壽命長，可在特殊環境中穩定工作，且不受磨損所限制等一系列優點[1，2]。球面螺旋槽氣體動壓軸承是一種新型結構的滑動軸承，它既可承受徑向載荷又能承受軸向載荷，且結構緊湊，回轉精度高，廣泛應用于陀螺儀、姿態控制裝置、旋轉機械等設備中，無論是從性能上還是結構上都遠優于其他類型的氣體動壓軸承[3]，有著十分廣闊的應用前景。

目前，國內外學者廣泛采用求解Reynolds方程的方法研究滑動軸承的氣膜特性，該方法具有求解時間短的優點，但忽略了慣性力、徹體力和軸向、周向的剪切力等，影響了計算結果的精度。隨著計算流體力學技術的發展和計算機性能的提高，通過CFD技術，可以分析任意軸承結構形式,利用流體動力學Fluent軟件能兼顧求解其忽略項的影響，更精確地計算了軸承的流場特性[4-7]。

以球面螺旋槽動壓氣體軸承為研究對象，建立了球面螺旋槽氣體動壓軸承的潤滑分析數學模型，基于CFD技術，采用流體動力學Fluent軟件，通過分析球面螺旋槽氣體動壓軸承的槽深比、槽寬比、螺旋角、氣膜間隙等主要運行參數和結構參數對氣體軸承穩態氣膜壓力分布、軸承承載性能的影響規律，進而對球面螺旋槽氣體軸承的結構參數進行優化。

1　有限元模型的建立

球面螺旋槽氣體動壓軸承由轉子和定子兩部分構成，轉子上開有一定數量的螺旋槽，螺旋槽由槽區和臺區組成，間隙較大的部分成為槽區，間隙較小的部分稱為臺區，如圖1所示。當軸承高速旋轉時，由于螺旋槽的存在，不僅能夠使軸承產生階梯效應，而且能夠增加軸承的泵氣效應，從而很好地提高氣體軸承的動壓效應[8]。

圖1　球面螺旋槽氣體動壓軸承剖面示意圖

在對螺旋線進行建模時，參照文獻[9]，采用空間球坐標系，在三維建模軟件Pro/E中建立球面螺旋槽氣體動壓軸承的三維氣膜模型[9]，如圖2所示。

2　模型假設與邊界條件確定

2.1　模型假設

球面螺旋槽氣體動壓軸承的潤滑分析數學模型，主要反映了氣體軸承間隙內氣膜壓力的分布規律，為了進行求解計算，現做如下假設： ① 潤滑介質為Newton流體，氣體黏性系數為常數； ② 軸承間隙內的氣體處于層流狀態，且流向一致； ③ 氣體與壁面間無熱量交換，且旋轉過程中，不考慮軸瓦與軸頸的熱變形； ④ 在垂直于氣膜的厚度方向上，速度變化可以忽略，即壓力沿膜厚方向無變化； ⑤ 氣體在軸和軸承表面不存在相對滑動； ⑥ 壁面假設光滑，不考慮壁面粗糙及滑移邊界的影響。

圖2　球面螺旋槽氣體動壓軸承三維氣膜模型

2.2　邊界條件的確定

(1) 軸承大端為壓力進氣口，軸承小端為壓力出氣口，且進氣口、出氣口的壓力與外界環境壓力相等，即p0=1.013×105Pa；

(2) 其他邊界部分設置為壁面邊界條件，壁面間沒有熱交換，氣體與壁面之間無相對滑動。其中外壁面為固定壁面，內壁面為旋轉壁面，且內壁面繞軸承的偏心位置旋轉。

2.3　潤滑分析數學模型的建立

采用Fluent軟件模擬分析球面螺旋槽氣體動壓軸承轉子周圍的流場時，主要求解的方程有質量守恒方程、動量守恒方程[10]。

(1) 質量守恒方程

(1)

式中：ρ為氣體密度；t為流動時間；div(u)為速度矢量u的散度。

(2) 動量守恒方程

(2)

對于氣體潤滑，由于氣體在流動過程中的熱交換很小，因此可以忽略不計，將其流動過程視為等溫過程，不考慮能量守恒方程。

3　Fluent求解結果與分析

圖3是徑向無量綱偏心率ε=0.3，螺旋角β=70°，轉速分別在60000 r/min、100000 r/min、150000 r/min時的球面螺旋槽氣體動壓軸承的三維氣膜壓力分布云圖。從氣膜壓力分布云圖可以看出，隨著轉速n的增加，軸承的氣膜壓力隨之增大，氣體軸承的氣膜壓力在整個周向上是由大到小，再由小到大分布的。

圖3　不同轉速下的軸承氣膜壓力云圖

圖4為氣體軸承圖3b中，轉速n=100000 r/min，從進氣口到出氣口方向的軸向截面Z=1.5 mm處軸頸周向上的氣膜壓力分布規律。在周向上由于無量綱偏心率ε的存在，5個斜置螺旋槽承受的氣膜壓力并不是按氣體軸承的中心對稱分布的，氣體周期性的流過槽區與臺區，氣膜壓力曲線在槽臺交界處出現5次較大的壓力突變，壓力在周向呈鋸齒形分布，在收斂域內氣膜壓力上升，在擴散域內氣膜壓力下降，在槽臺交界處氣膜壓力達到最大值，在有螺旋槽的區域內，氣膜壓力較大，動壓效應更為明顯。因此氣體軸承的動壓效應受轉速的影響比較大，轉速越高，動壓效應越明顯。

圖4　周向氣膜壓力分布

4　球面螺旋槽氣體動壓軸承承載力的影響因素

圖5　槽寬比對承載力Wz影響的變化曲線

圖6　槽深比對承載力Wz影響的變化曲線

圖7　螺旋角β對承載力Wz影響的變化曲線

圖8　氣膜間隙h0對承載力Wz影響的變化曲線

5　結論

(1) 根據氣體潤滑理論，建立了球面螺旋槽氣體動壓軸承的潤滑分析數學模型，采用流體動力學Fluent軟件，對球面螺旋槽氣體動壓軸承間隙內復雜的流場特性進行精確的計算分析,可以更有效地分析氣體軸承潤滑性能，在進行軸承設計時可以有效的縮短設計周期；

(2) 球面螺旋槽氣體動壓軸承隨著轉速的升高，氣膜的壓力也隨著增大。由于氣體軸承的表面開有一定數量的螺旋槽，氣膜壓力曲線在槽臺交界處出現5次壓力突變，在周向上氣膜壓力成鋸齒形分布，且在槽臺交界線處氣膜壓力達到峰值；在徑向方向上，球面螺旋槽氣體動壓軸承徑向壓力沿著槽向內增加，一直到有槽區域與無槽區域的交界處達到峰值，然后氣膜壓力向內減小，一直減小到氣膜壓力與外界環境一樣為止。因此，螺旋槽的存在不僅能很好地實現氣體動壓軸承的動壓效應，而且能提高軸承的穩態承載特性；

(3) 在不同的旋轉速度下，球面螺旋槽氣體動壓軸承的結構參數槽寬比、槽深比、槽數和氣膜間隙的變

化對軸承承載特性的影響比較明顯。因此，在設計軸承時應合理的選擇設計參數，有助于改善潤滑性能，提高軸承的穩態承載特性。

參考文獻：

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