静压径向气体轴承静态特性数值分析

1 引言
气体静压轴承具有高精度、低摩擦、清洁无污染等诸多优点， 被广泛应用于精密仪器、超精密机床和高速电主轴中。静压气体轴 承中，轴颈的旋转会引起动压效应，因此，轴颈转动静压轴承的轴承 特性同轴颈不转动的纯静压轴承的轴承特性有很大不同，对静压气 体轴承性能的研究也引起了学者们广泛的兴趣。文献[1]提出了一个 物理模型用于研究轴颈转动气体轴承的静态性质和动态性质，并采 用牛顿法求解雷诺方程。文献[2]研究了混合径向气体轴承转子的动 态稳定性，通过数值方法计算出了轴承的动态刚度和阻尼系数。文 献[3]利用数值方法研究了静压气体轴承的有关特性，结果表明轴颈 在高速旋转时，轴承气膜的动压效应非常明显。文献[4]采用有限元模 型研究复杂的轴承转子系统，利用转子动力学和现代非线性理论研 究了系统的动态响应。文献[5]详细计算了静压气体轴承的动态刚度 系数和动态阻尼系数，并且指出，对于具有小气膜间隙和高供气压
Numerical Analysis of the Static Performance of Aerostatic Journal Bearings
WANG Xin-kuan1，2，XU Qiao2，ZHANG Lian-xin2，YANG Hong2
（1.State Key Laboratory of Mechanical System and Vibration，Shanghai Jiaotong University，Shanghai 200240，China；2.Institute of Machinery Manufacturing Technology，China Academy of Engineering Physics，Sichuan Mianyang 621900，China）
摘 要：对静压径向气体轴承的静态特性进行了详细的理论研究，采用二阶有限差分方法数值求解无量纲雷诺方程，编 制 Matlab 迭代程序计算轴承的气膜压力分布。仿真分析了各种轴承结构参数和工作参数下静压气体轴承的承载、刚度和 质量流量等静态性能的变化规律。仿真结果表明轴颈的转速对静压气体轴承的承载、刚度和质量流量等静态特性施加着 重要影响，在分析轴承性能时必须考虑轴颈的旋转效应。当轴颈的转速不断增大时，轴承的气膜压力、承载能力和稳态刚 度等静态性能能够得到显著提升。 关键词：雷诺方程；静压径向气体轴承；转速效应；静态性能 中图分类号：TH16；TH117 文献标识码：A 文章编号：员园园员-3997（圆非线性动态特性非常显著。文献[6]深 入研究了混合径向气体轴承的轴颈转速效应，发现在轴颈高速旋转 状态下，轴承的承载能力随偏心率的增大成比例的增大。文献[7]通过 数值方法和实验方法研究了静压气体止推轴承的静态和动态特性， 结果表明简单小孔轴承比复合节流孔轴承具有更大的刚度。文 献[8]提出了一种计算静压气体轴承性能的简便方法，并采用有限 元方法验证了该方法的正确性。文献[9]采用有限差分理论和摄动 法求解雷诺方程，研究了动压气体球面轴承的静态和动态特性。 文献[10]设计了一种新型轴承兼具静压轴承和动压轴承的优点，并 在磨床上了得到了应用。基于有限差分理论和超松弛迭代理论，提 出了一种数值方法求解稳态雷诺方程，得到了静压气体径向轴承的 气膜压力分布，详细研究了轴颈的转速对静压气体轴承的承载、刚 度和质量流量等静态特性的影响。这里的数值求解方法和仿真分 析结果有助于更深入地认识静压气体轴承的转速效应，对设计具 备优良性能的静压气体轴承能起到有益的理论指导作用。
粤遭泽贼则葬糟贼：The current study presents a detailed theoretical analysis on the performance of aerostatic journal bearings. The dimensionless reynolds equation is derived and discretized by the finite difference method. A n iterative procedure is adopted to get the air film pressure distribution. The bearing characteristics such as load capacity，stiffness and air flow rate under various bearing operating and geometric parameters are investigated. The numerical results show that the journal rotation plays an important role on the bearing characteristics，and the rotating speeds must be taken into consideration. W ith the growth of journal rotational speed，the bearing air film pressure，load capacity and steady stiffness can be increased notably. Key Words：Reynolds Equation；Aerostatic Journal Bearings；Rotation Effects；Static Performance
机械设计与制造
第5期
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圆园19 年 5 月
静压径向气体轴承静态特性数值分析
王新宽 1，2，许 乔 2，张连新 2，阳 红 2
（1.上海交通大学机械系统与振动国家重点实验室，上海 200240；2.中国工程物理研究院机械制造工艺研究所，四川 绵阳 621900）