高速空气静压主轴承性能分析

高速空气静压主轴性能分析

高速空气静压主轴承性能分析

Cheng-Ying Lo ,Cheng-Chi W ang ,Yu-Han Lee

摘要：

气动轴承设计的问题的解决方法是先压力分布和轴承轮转方向的精确度。目前，本文研究出了一个详细的理论分析轴承性能的方法，其中气动轴承最初是由无量纲简化的纳维——斯托克斯方程的形式来表达。利用轴承之间的间隙和孔口中的质量连续流动的假设，可以推导出非线性无量纲雷诺方程，然后利用牛顿方法进行离散。最后，修改后的雷诺方程可以利用循环迭代的方法来解决。目前的数值模型可以有效的油膜压力分布，摩擦力影响，承载能力，刚度，润滑气体流量，和静止状态偏心率和动态气动轴承压力包括高偏心率部分，高速非圆形线部分，推力轴承，滑块轴承等内容的分析。这个被使用的分析模型提供了宝贵的分析方式来研究高精度的静态和动态旋转的气体轴承的性能，并使其成为可以得到的最优化设计。

1．简介

气体轴承的特点是旋转时低噪音和低摩擦损失。因此，它们经常被应用于各种精密仪器中，在空负荷高速电动马达驱动的情况下，它们产生摩擦量为零。相比于传统的油轴承，气体轴承具有产生的热量低，少污染，和较高的精度的优点。然而，它们的主要缺点是，它们的运行往往相当不稳定，这往往限制其允许使用的范围。

1961年，格罗斯和扎克[1]首先开发，并应用了微扰的方法来解决：稳定，自行形成，可认为无限长的平面楔形油膜问题。使用的这种微扰的方法可以有效的分析所有的几何参数范围，并得到高度精确的结果。1975年，马宗达[2]提出一种理论方法，考虑到三维流多孔材料对轴承的影响，推导出稳态固定和旋转性能特点。我们知道气动轴承的主要承载能力受气膜的空气动力学影响，其中气膜的刚度，阻尼系数，和稳定的范围值是主要的影响参数。多数的轴承设计都是为了运转稳定，因此需要掌握最基本的有关稳定性的知识。所以，马宗达[3]构建了一个多孔矩形的推力轴承，在外部施压，利用可压缩润滑液的条件下的理论模型。1985年，金价和特尔[4] 利用有限元方法和有限差分法评价的相对精密的问题中近似研究了一个稳定，等粘度的，不可压润滑剂的模型。在他们的研究中，提出了一个复杂的耦合的问题的解法可以转化成一系列有顺序的简单，非耦合的稳定的问题的解法。轴承的二维计算表明，有限差分方法计算结果的相对误差比用有限元方法得到的结果略小。此外，结果表明，用有限差分的方法进行近似计算比有限元的方法要快，在相同的电脑处理器下，用有限差分法用0.15s而有限元需要0.17s。

1992年，斯洛克姆[5]进行的实验研究而为小孔节流的气动轴承制定全面的设计程序。最近，表面粗糙度对轴承的性能影响已被调查[6][7]。结果显示：普遍持有表面粗糙度在层流流动时，对气动轴承的影

高速空气静压主轴性能分析

响是可以忽略的。1996年，休斯等人[8]分析了采用气体润滑的推力轴承试验并提出了在理想化的流动中的详细的测量方法。该实验表面温度测量证实，轴承中流动时局部绝热的。

1994年，马利克和贝尔研究了微分求积法（DQM），并首次将其应用于解决自力式流体轴承的稳态的气和油的润滑问题中。不可压润滑剂的雷诺方程的积分解与有限长轴承精确解进行比较。此外，通过有限元法和有限差分法比较了可压缩润滑剂有限长平面轴承的雷诺方程的积分解的比较。油润滑的滑块与滑动轴承的微分求积法的中央处理器的计算时间与三角计算系列和有限元的方法所用的时间进行了比较。此外，该解决方案在气体润滑的滑动轴承的中央处理器计算所用时间与其他的有限元的解法所用时间也进行了对比。在所有案件中，微分求积法对于精确解决可压缩润滑问题是最为有效的，无论是有限元法还是有限差分法都不如它。

2．数学建模

2.1 控制方程及无因次形式

该气静压轴承模型采用了以下几种设

计假设：

（1）气体润滑膜是非常接近恒温，因

为轴承材料的传热能力远大于气膜产

生热量的能力。因此，我们可以假设是恒温的流动。

（2）由于气体粘度有时对于压力的变

化不敏感，而且温度几乎可视

为是常数的情况下，我们可以假

设气体粘度也为常数。

（3）气体轴承的内部和外部的质量流

量等于多孔处孔口的质量流量。

（4）作为进出轴承的两侧流动（侧流）

可以忽略。

在轴和轴承之间的气膜压力分布由雷诺为依据模拟得到公式如下：

雷诺方程式量纲形式给出：

以下量纲参数定义：

假设奥凡采用绝热过程非粘性流，它可以证明的质量流量率可以表示为：

2.2数值分析

对于可压缩润滑剂的雷诺方程式是一个非线性方程，它的解析解是无法获得。因此，本文利用牛顿法离散雷诺方程和然后迭代求解过程中的系数。此方法具有收敛时间少，减少计算大量时间的优点。由刘等人[10]提出了用减少比率的方法迭代求解修改后的雷诺方程。这种特别的迭代方法被使用是因为在很薄的薄膜厚度的

高速空气静压主轴性能分析

情况下得到的结果仍然收敛。

图1

介绍了本文中气体滑动轴承的配

置。图中显示，二组8孔在轴承的

1/4处

沿圆周方向均匀布置。

图2给出了滑动轴承的计算域，并显

示了周期性和对称的边界条件。

可以假设，流动过程是恒温的，空气

是一种理想的气体。根据这些假设，有量

纲气体雷诺方程可以扩展，并以下面的形

式表达：

非线性函数的定义如下

从牛顿的方法：

泰勒级数形式:

一阶导数计算:

通过替换:

带入：

高速空气静压主轴性能分析

此外，在公式（11

）中的偏微分方程式可取代精确二阶差分公式；公式（

11）中的方程组可以表示为下面的系数矩阵：

上述分析过程表明了静空气滑动轴承的压力分布情况。辛普森规则可以被用来确定气体的整体压力，负载能力可以通过

建立以力的平衡方程来解决。轴承的刚度定义为每单位位移的力，在计算刚度时，必须确保有足够多的网格点数量参与计算。该刚度w K ，可以不同的形式进行计算，

而不仅仅是微分形式。通过这种方式得到

的结果足够满足工程上的精度。刚度的偏

心表示如下：

当使用连续弛豫法解决雷诺方程中的流动边界和内部压力条件时，人们注意到，该解决方案可能无法收敛，特别是当薄膜厚度被考虑的时候。因此，本文采用一种改进的迭代方法称为减少比率的方法。表

一列出了气膜值不同时两种方法的收敛情况的比较