半球動壓氣浮軸承有螺旋槽與無螺旋槽軸承特性仿真分析

高峰，許相璽，王莎莎，田秀

半球動壓氣浮軸承有螺旋槽與無螺旋槽軸承特性仿真分析

高峰，許相璽，王莎莎，田秀

（北京航天控制儀器研究所，北京，100854）

本文采用CFD數值模擬方法和試驗數據相結合的方式對半球型動壓氣浮軸承徑向偏心3%和軸向偏心3%的流場進行分析。對軸承同一偏心率下有、無螺旋槽的軸徑向剛度、軸徑向承載力、姿態角、功率等特性進行了比較。結果表明，半球型動壓氣浮軸承的數值仿真結果與試驗數據吻合較好。刻有螺旋槽的軸承，壓力沿螺旋槽逐漸上升，在螺旋槽頂達到峰值，跨過螺旋槽后壓力逐漸降低。由于圓周均布了多個螺旋槽，螺旋槽的導流作用使得高壓區均勻的分布在軸承圓周面上。沒有螺旋槽的軸承在徑向偏心時存在一個對稱分布的高壓區和低壓區，二者夾角近似180度，但在軸向偏心時卻無法形成動壓效應，軸承支撐力幾乎為0。相比無螺旋槽的軸承，有螺旋槽壓力分布更均勻，能提供軸、徑向支撐力，且姿態角和功率更小，更有助于電機穩定的高速旋轉。

半球型；動壓氣浮；數值模擬

0 引言

相比滾珠軸承，動壓氣浮軸承以氣體作為軸承間隙的潤滑介質，具有精度高、等剛度、摩擦小、長壽命等特點[1]。采用動壓氣浮軸承的電機高速旋轉時，軸承間隙內的氣膜形成高壓支撐轉子浮起[2]。動壓氣浮軸承工作表面可以設計成帶有螺旋槽的結構或無螺旋槽的結構，林惠光等人[3]對不同偏心率、不同間隙下的無螺旋槽動壓氣浮軸承間隙流動進行了數值分析,季旭等人[4]對有螺旋槽的平面止推軸承壓力場進行了仿真分析。

本文以半球型動壓氣浮軸承為研究對象，采用CFD數值模擬方法和試驗數據相結合的方式研究刻有螺旋槽半球軸承的流場特性，對比分析有、無螺旋槽軸承的軸、徑向剛度，軸、徑向承載力，姿態角，功率等性能參數。

1 幾何建模及邊界條件設置1.1 幾何建模及網格劃分

本文分別模擬半球型動壓氣浮軸承徑向偏心3%和軸向偏心3%的情況。為保證仿真精度，本文使用ICEM軟件對軸承氣膜流場進行結構化網格劃分。軸承幾何建模參數如下：軸承半徑10mm，軸承間隙6μm，螺旋槽數16個，螺旋槽深8μm。有螺旋槽的網格如圖1所示，網格總數19萬。無螺旋槽的網格如圖2所示，網格總數18萬。

1.2 計算邊界條件設置

圖1 帶有螺旋槽的半球軸承

圖2 無螺旋槽的半球軸承

表1 計算邊界條件設置

2 計算結果

2.1 帶有螺旋槽的半球軸承流場仿真結果

帶有螺旋槽的軸承在徑向偏心3%或軸向偏心3%下的壓力場分布具有相似特征。為便于分析，本文以徑向偏心3%為例，其軸承壓力場分布如圖3所示。隨著軸承以30000rpm高速旋轉，半球大端產生負壓，外界氣體被吸入軸承工作間隙內，氣體從半球的大端進入，從半球的小端流出。從壓力變化趨勢看，壓力沿著螺旋槽的螺旋方向逐漸上升，跨過螺旋槽后壓力逐漸降低。在螺旋槽頂端，即槽區和臺區的交接處形成最大壓力，且高壓區向軸承旋轉方向略有偏移。這是由于氣體沿著螺旋槽流動時，當遇到槽臺交界處，由于槽區間隙大于臺區間隙，氣體通道突然收縮，為保證槽臺交界前后的氣體質量守恒，在螺旋槽區域必形成負壓梯度，即壓力逐漸上升，在臺區必形成正壓力梯度，即壓力逐漸降低，因此在螺旋槽頂的槽臺交界處壓力達到最高值，即形成了“動壓效應”。

上述壓力分布形成的支撐力變化如圖4所示，與壓力分布趨勢相似，支撐力在軸承入口基本為0 N，隨后沿著螺旋槽上升方向逐漸增大，在槽臺交界附近形成最大值，跨過槽臺交界區后，支撐力逐漸減低，到軸承出口基本為0 N， 因此帶有螺旋槽的半球軸承支撐力集中在螺旋槽頂的槽臺交界處。

圖3 半球軸承徑向偏心3%壓力云圖

圖4 半球軸承徑向偏心3%支撐力分布圖

2.2 帶有螺旋槽的軸承仿真結果與試驗數據對比

徑向偏心3%的仿真結果與試驗數據對比如表2所示，軸向偏心3%的仿真結果與試驗數據對比如表3所示。對比看出，仿真數據與試驗數據偏差較小，一般不超過10%，可以證明仿真結果比較準確。

表2 有螺旋槽軸承徑向偏心3%的仿真結果與試驗數據對比

表3 有螺旋槽軸承軸向偏心3%的仿真結果與試驗數據對比

2.3 有螺旋槽與無螺旋槽的半球軸承仿真對比

2.3.1 徑向偏心3%的情況

當有螺旋槽與無螺旋槽的軸承徑向偏心均為3%時，二者的壓力對比如圖5所示。從圖上可以看出，由于螺旋槽圓周均布的結構特性以及氣體流動的動壓效應，帶有螺旋槽的高壓區在軸承圓周方向呈現周期性變化，而無螺旋槽的高壓區和低壓區卻比較集中，面積較大，高壓區與低壓區呈180°對稱分布。從壓強大小上看（相對大氣壓），有螺旋槽產生的最高壓強為1.067×105Pa，無螺旋槽產生的最高壓強為3.254×103Pa，有螺旋槽的最高壓強達到無螺旋槽的33倍。但二者的最低壓強差別不大，有螺旋槽為-3.125×103Pa，無螺旋槽為-2.9×103Pa。

有螺旋槽與無螺旋槽的軸承支撐力對比如圖6所示，圖中彩色箭頭表示軸承表面各點受力的大小和方向，軸承對外表現出的總支撐力即為各點矢量求和。圖6顯示出二者在支撐力上的明顯差異，受壓力分布影響，有螺旋槽的支撐力沿螺旋槽逐漸增大，且圓周方向分布較均勻，支撐力方向指向球碗外側。無螺旋槽的支撐力在高壓區或低壓區附近集中，高壓區的支撐力指向球碗外側，低壓區的支撐力指向球碗內側。

有螺旋槽與無螺旋槽的軸承特性參數對比如表4所示。在徑向偏心3%的條件下，徑向支撐力和徑向剛度差異不大，這是由于，雖然有螺旋槽產生的壓強大，但由于球碗各點支撐力基本都指向球碗外側，因此在求解徑向支撐力時，各點矢量求和相互抵消。無螺旋槽產生的壓強雖然小，但高壓區產生的支撐力指向球碗外側，低壓區產生的支撐力指向球碗內側，在矢量求和時支撐力方向相同相互疊加，因此宏觀上表現出有、無螺旋槽的支撐力差別不大。但在支撐力分布規律上，有螺旋槽比無螺旋槽更加均勻，能夠保證電機高速穩定旋轉。此外由于螺旋槽的存在，相當于增大了軸承的平均間隙，因此有螺旋槽的功率小于無螺旋槽的功率。而且無螺旋槽的姿態角明顯大于有螺旋槽的姿態角。

圖5 有螺旋槽與無螺旋半球軸承壓力分布圖

圖6 有螺旋槽與無螺旋半球軸承支撐力分布圖

2.3.1 軸向偏心3%的情況

當有螺旋槽與無螺旋槽軸承均存在3%的軸向偏心時，二者軸承參數如表5所示。有螺旋槽的軸向支撐力為0.65 N，軸向剛度為18.1N/μm，功率1.60W。但無螺旋槽的軸向支撐力和剛度均為0，功率1.89W高出有螺旋槽近20%。這是由于雖然無螺旋槽軸承存在3%的軸向偏心，但由于缺少螺旋槽的臺階作用，軸承間隙內的氣體只能隨著軸承旋轉做圓周運動，無軸向運動，無法形成螺旋槽特有的動壓效應。而且即便氣體有圓周運動，但由于在垂直旋轉軸截面上的軸承間隙沿圓周方向處處相等，也無法形成動壓效應所必須的“楔形結構”，因此無螺旋槽軸承在僅有軸向偏心時無法提供支撐力，無法承受軸向載荷。

表5 軸向偏心3%條件下軸承特性參數對比

綜上所述，為保證電機在不同工況下都能高速穩定旋轉，半球動壓氣浮軸承應選用刻有螺旋槽的方案。

3 結論

本文通過數值模擬對半球型動壓氣浮軸承徑向偏心3%和軸向偏心3%的流場進行了仿真，對有、無螺旋槽的軸承特性進行了比較。

（1）有螺旋槽軸承的仿真結果與試驗數據吻合較好，相對誤差不超過10%，仿真數據具有一定的參考意義。

（2）刻有螺旋槽的軸承在高速旋轉時，無論軸向偏心還是徑向偏心，氣膜壓力場分布相似。壓力沿螺旋槽逐漸上升，在螺旋槽頂達到峰值，且槽頂的高壓區偏向軸承旋轉方向一側。跨過螺旋槽后壓力逐漸降低。由于圓周均布了多個螺旋槽，螺旋槽的導流計。對于板子的設計而言，增加一個Dummy芯板能夠很好的抵抗翹曲的形成。L1層銅厚的增加和Solid Bar 設計有利于PCB板子兩面的殘銅平衡和銅皮漲縮過程的應力平衡，從而改善PCB翹曲。該實驗后，我們用優化后的方案試生產了一批產品并測量翹曲值，結果滿足預期。

[1]IPC TM 650 2.4.22C

Simulation and analysis of the characteristics of the hemispherical hydrodynamic journal bearing with spiral groove and without helical groove

Gao Feng, Xu Xiangxi, Wang Shasha, Tian Xiu
(Beijing Institute of aerospace control instrumentation, Beijing ,100854)

In this paper, CFD numerical simulation method and experimental data are combined to analyze the radial eccentric 3% and axial eccentric 3% flow field of the hemispherical Journal bearing. The radial stiffness, axial radial bearing capacity, attitude angle and power of the shafts with and without spiral grooves under the same eccentricity ratio of the bearings are compared. The results show that the numerical simulation results of the hemispherical pneumatic journal bearing are in good agreement with the experimental data. With the spiral groove bearing, the pressure gradually rises along the spiral groove, reaches the peak at the top of the spiral groove, and decreases gradually after the spiral groove. Because the circle is distributed with a plurality of spiral grooves, the diversion action of the spiral groove makes the high voltage region uniformly distribute on the circumferential surface of the bearing. When there is no radial groove, there is a symmetrical distribution of the high pressure zone and the low pressure zone. The angle between the two is approximately 180 degrees, but it can not form the dynamic pressure effect when the axial eccentric, and the supporting force of the bearing is almost 0. Compared with the spiral groove bearings, the spiral groove has more uniform pressure distribution, providing axial and radial support, and smaller angle and power, which is more helpful for the stable high-speed rotation of the motor.

hemisphere; dynamic pressure air flotation; numerical simulation

國家重大科學儀器設備開發專項資金資助（項目編號：2013YQ470765）。