轴颈倾斜对静压气体径向轴承静态特性的影响

ＩｎｆｌｕｅｎｃｅｏｆＪｏｕｒｎａｌＭｉｓａｌｉｇｎｍｅｎｔｏｎＳｔａｔｉｃＣｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆ ＡｅｒｏｓｔａｔｉｃＪｏｕｒｎａｌＢｅａｒｉｎｇｓ
ＹＡＮＧＹａｎｔａｏ，ＷＡＮＧＨａｉｂｏ
（ＣｏｌｌｅｇｅｏｆＭｅｃｈａｎｉｃａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＹｅｌｌｏｗＲｉｖｅｒＣｏｎｓｅｒｖａｎｃｙＴｅｃｈｎｉｃａｌＩｎｓｔｉｔｕｔｅ，Ｋａｉｆｅｎｇ４７５００４，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎｏｒｄｅｒｔｏｏｂｔａｉｎｉｎｆｌｕｅｎｃｅｒｕｌｅｏｆｊｏｕｒｎａｌｍｉｓａｌｉｇｎｍｅｎｔｏｎｓｔａｔｉｃｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｏｆａｅｒｏｓｔａｔｉｃｊｏｕｒｎａｌｂｅａｒ ｉｎｇｓ，ｔｈｅｆｉｎｉｔｅｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅｍｅｔｈｏｄｉｓａｄｏｐｔｅｄｔｏｓｏｌｖｅｓｔｅａｄｙｓｔａｔｅＲｅｙｎｏｌｄｓｅｑｕａｔｉｏｎｃｏｎｓｉｄｅｒｉｎｇｊｏｕｒｎａｌｍｉｓａｌｉｇｎｍｅｎｔ． Ｔｈｅｖａｒｉａｔｉｏｎｏｆｓｔａｔｉｃｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｐａｒａｍｅｔｅｒｓｏｆｔｈｅｂｅａｒｉｎｇｓｉｓａｎａｌｙｚｅｄｕｎｄｅｒｄｉｆｆｅｒｅｎｔｊｏｕｒｎａｌｍｉｓａｌｉｇｎｍｅｎｔａｎｇｌｅｓ． Ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｔｈｅａｉｒｆｉｌｍ ｔｈｉｃｋｎｅｓｓｏｆｔｈｅｂｅａｒｉｎｇｓｉｓｂａｓｉｃａｌｌｙｓｇｎｍｅｎｔａｎ ｇｌｅｓ．Ｗｈｅｎｔｈｅｃｉｒｃｕｍｆｅｒｅｎｔｉａｌａｎｇｌｅｓｏｆｔｈｅｂｅａｒｉｎｇｓｉｎｃｒｅａｓｅｆｒｏｍ９０ｄｅｇｒｅｅｓｔｏ２７０ｄｅｇｒｅｅｓ，ｔｈｅｂｉｇｇｅｒｔｈｅｊｏｕｒｎａｌ ｍｉｓａｌｉｇｎｍｅｎｔａｎｇｌｅｉｓ，ｔｈｅｓｍａｌｌｅｒｔｈｅａｉｒｆｉｌｍｐｒｅｓｓｕｒｅｏｆｔｈｅｂｅａｒｉｎｇｓｉｓ．Ｗｈｅｎｔｈｅｃｉｒｃｕｍｆｅｒｅｎｔｉａｌａｎｇｌｅｓｏｆｔｈｅｂｅａｒ ｉｎｇｓｄｅｃｒｅａｓｅｆｒｏｍ２７０ｄｅｇｒｅｅｓｔｏ９０ｄｅｇｒｅｅｓ，ｔｈｅｂｉｇｇｅｒｔｈｅｊｏｕｒｎａｌｍｉｓａｌｉｇｎｍｅｎｔａｎｇｌｅｉｓ，ｔｈｅｓｍａｌｌｅｒｔｈｅａｉｒｆｉｌｍ ｐｒｅｓｓｕｒｅｏｆｔｈｅｂｅａｒｉｎｇｓｉｓ．Ｕｎｄｅｒａｃｅｒｔａｉｎｅｃｃｅｎｔｒｉｃｉｔｙｒａｔｉｏ，ｔｈｅｓｔａｔｉｃｌｏａｄｃａｐａｃｉｔｙｏｆｔｈｅｂｅａｒｉｎｇｓｉｓｄｅｃｒｅａｓｅｄ，ａｎｄ ｔｈｅｓｔａｔｉｃｓｔｉｆｆｎｅｓｓ，ｆｒｉｃｔｉｏｎｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ，ｇａｓｍａｓｓｆｌｏｗｒａｔｅ，ｓｔａｔｉｃｔｏｒｑｕｅａｎｄａｎｇｕｌａｒｓｔｉｆｆｎｅｓｓａｒｅｉｎｃｒｅａｓｅｄｗｉｔｈｉｎ ｃｒｅａｓｅｏｆｊｏｕｒｎａｌｍｉｓａｌｉｇｎｍｅｎｔａｎｇｌｅ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ａｅｒｏｓｔａｔｉｃｊｏｕｒｎａｌｂｅａｒｉｎｇ；ｊｏｕｒｎａｌｍｉｓａｌｉｇｎｍｅｎｔ；ｓｔａｔｉｃｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ；ｎｕｍｅｒｉｃａｌｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ
ＩＣＳＮＳ４Ｎ１１０－０１０１４－８３／７Ｔ６Ｈ２ Ｂ轴ｅａ承ｒｉｎ ｇ２２００１１９９年，Ｎ１ｏ２．期１２ ２２－２７
试验与分析
ＤＯＩ：１０．１９５３３／ｊ．ｉｓｓｎ１０００－３７６２．２０１９．１２．００５
轴颈倾斜对静压气体径向轴承静态特性的影响
静压气体轴承具有高精度，低摩擦损耗，清洁 无污染等优点，广泛应用于超精密机床和仪器中。 静压气体径向轴承的性能很大程度上取决于轴颈 与轴承套之间的气膜分布或气膜间隙形式。轴颈 倾斜是引起 轴 承 气 膜 间 隙 变 化 的 重 要 原 因，微 小 的倾斜角度就可能造成轴承气膜厚度分布显著改 变，从而引起轴承特性明显变化。
杨彦涛，王海博
（黄河水利职业技术学院 机械工程学院，河南 开封 ４７５００４）
摘要：为获得轴颈倾斜对静压气体径向轴承静态性能的影响规律，采用有限差分方法数值求解考虑轴颈倾斜下 的稳态 Ｒｅｙｎｏｌｄｓ方程，分析不同轴颈倾斜角度下轴承静态特性参数的变化情况，结果表明：不同轴颈倾斜角度 下轴承气膜厚度基本相同；轴承周向角度从 ９０°增大到 ２７０°时，轴颈倾斜角度越大，轴承气膜压力越小，轴承周 向角度从 ２７０°减小到 ９０°时，轴颈倾斜角度越大，轴承气膜压力越大；偏心率一定时，随着轴颈倾斜角度的增 大，轴承的静态承载力减小，静态刚度、摩擦因数、气体质量流量、静态力矩和角刚度均增加。 关键词：静压气体径向轴承；轴颈倾斜；静态特性；数值计算 中图分类号：ＴＨ１３３．３；ＴＨ１１７ 文献标志码：Ｂ 文章编号：１０００－３７６２（２０１９）１２－００２２－０６
收稿日期：２０１９－０３－０６；修回日期：２０１９－０６－０３ 作者简介：杨 彦 涛 （１９８３—），男，河 南 开 封 人，副 教 授，硕 士研究生，主要研究方向为超精密加工与精密仪器设计， Ｅ－ｍａｉｌ：９４４７１５０６＠ｑｑ．ｃｏｍ。
文献［１］证明轴颈倾斜会改变流体膜的压力 分布，流体膜 的 厚 度 越 小，其 压 力 越 大，但 其 研 究 对象主要是液体轴承。文献［２］指出轴颈倾斜会 对径向轴承 的 平 均 压 力、弹 性 变 形 及 其 他 润 滑 特 性产生重要 影 响，并 提 出 了 一 种 非 常 有 效 的 轴 承 特性数值求解方法。文献［３］分析了径向止推一 体静压轴承 的 特 性，指 出 轴 承 的 承 载 力 会 随 着 轴 颈倾斜角度的 增 大 而 减 小。 文 献 ［４］分 析 了 具 有 弧形气腔的 气 体 轴 承 的 特 性，指 出 轴 颈 倾 斜 会 削 弱轴承的承载能力。文献［５－６］采用数值方法分 析了由于轴颈的弹性变形引起轴颈倾斜角度的变 化情况，并研 究 了 轴 颈 倾 斜 对 轴 承 润 滑 性 能 的 影
杨彦涛，等：轴颈倾斜对静压气体径向轴承静态特性的影响
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响，在此基础上，文献［７－８］对油膜温度、轴承表 面粗糙度等因 素 进 行 了 全 面 考 虑。 文 献 ［９］提 出 了考虑轴颈 非 对 称 变 形 的 物 理 模 型，指 出 轴 颈 倾 斜很大程度 上 影 响 轴 承 性 能，但 其 主 要 考 虑 轴 颈 非对称变形 引 起 的 倾 斜，没 有 考 虑 轴 颈 整 体 倾 斜 对轴承性能的影响。文献［１０］推导出了考虑轴颈 倾斜角度的 Ｒｅｙｎｏｌｄｓ方程，并且采用有限差分法 进行了数值求解，但只针对牛顿和非牛顿流体，没 有考虑气体 轴 承，且 研 究 轴 承 性 能 时 没 有 考 虑 静 态刚度和静态角刚度。文献［１１］给出了一种有效 求解 Ｒｅｙｎｏｌｄｓ方程的数值方法，指出轴颈的倾斜 会使轴承气 膜 的 压 力 分 布 形 态 恶 化，其 采 用 微 分 变换和有限 差 分 混 合 的 数 值 方 法，但 主 要 关 注 轴 承的气膜压 力 和 承 载 力，没 有 研 究 静 态 刚 度 和 角 刚度的变化规律。