单节流孔静压球面气体轴承动态特性的有限元分析

采用分布参数和小参数摄动方法简化动态雷诺润滑方程，推导了用于计算小孔节流方式的单节流孔静压球面气体轴承气膜动态特性的一系列计算公式，并通过动态压力分布方程的有限元求解得到了气膜的动态刚度、动态阻尼曲线以及轴承的稳定工作范围图谱，进而给出了静压气体轴承的稳定性判据．结果表明，小孔节流方式静压气体轴承的稳定性主要取决于节流气腔的容积、供气压力和承载质量．     

小孔节流空气静压止推轴承平面跨缝试验研究

在航空航天领域的微重力模拟中,空气静压止推轴承在完成平面跨缝试验过程中由于增加了1个时变的出口边界,支撑气膜内部的流场随出口边界位置的变化而发生变化,从而影响止推轴承的静态特性和微振动特性.为了明确跨缝过程中空气静压止推轴承宏观表现出的服役特性,本文中基于静压气体润滑理论,搭建空气轴承平面跨缝的试验台,针对中心供气和三孔均布的圆盘型小孔节流空气静压止推轴承开展试验研究,分析不同供气压力、浮起高度和跨缝位置下轴承的静态特性和微振动特性.研究表明：空气轴承平面跨缝时,相当于支撑气膜增加1个时变的出口边界,因而会出现泄气现象导致承载力减小;当供气孔正对支撑台面间的拼缝时,轴承的自激微振动幅值最小;空气静压轴承在平面跨缝过程中,在相同浮起高度下,随着供气压力增大,轴承的静承载能力和静刚度都有所提高;随着负载增大,过供气孔时的微振动幅值减小.     

用于微重力试验的气磁混合悬吊单元研制

传统被动式跟随悬吊法应用中摩擦干扰力大的问题影响了微低重力试验的精度,本文中结合悬吊法和气浮法的优点,利用气体轴承极低摩擦力的特点,设计了一款气磁混合悬吊单元原理样机,以提高被动式跟随悬吊法微低重力试验的精度.首先介绍了气磁混合悬吊单元的工作原理,对气磁模块的布局方案进行了初选,选择了环形气体止推轴承与中央磁吸力单元组合的结构形式.设计了独特的永磁-电磁模块,并对其电磁吸力特性进行了分析,分析结果显示在气隙厚度为0.65 mm左右时,磁力能够保持在2 kN左右,得到了0.3～1.0 mm气隙长度下混合磁单元的磁力及刚度变化曲线.气体止推轴承采用大块多孔石墨作为节流器,能够在较小的空间尺寸中实现最大的承载能力,应用有限元方法对多孔质气体轴承的承载能力进行了分析,并进行了网格无关性分析,确定了计算模型的规模.对供气压力和渗透率等主要参数的影响规律进行了分析,分析结果显示选定的工作参数可在20μm气膜厚度下实现2 kN的承载.完成了气磁混合悬吊单元的结构设计,并试制了3台样机.针对气浮轴承进行了多孔材料渗透率测试.针对气磁混合悬吊单元,考虑到测试的安全性,设计了倒扣拉力法试验装置进行了气磁混...     

狭缝节流气体静压轴颈-止推轴承静态特性分析

在气体静压轴颈 -止推轴承的离散化过程中 ,采用有限元方法 ,利用加权余量法将其二阶偏微分方程降低一阶 ,使利用三角单元线性插值函数成为可能 ,简化了压力分布方程式的计算 ,给出了轴承的静态特性 ,分析了结构工艺尺寸、狭缝宽度和轴承间隙等因素对径向和轴向承载性能的影响 ,揭示了轴颈和止推轴承之间的相互影响规律 ,并且研究了轴承内部气膜压力分布的规律 .最后 ,通过实测值对计算结果进行了验证     

新型环面节流静压气体球轴承压力分布的有限元计算

环面节流多孔闭式球轴承具有整体球窝,是静压气体球轴承的一种新结构形式.通过引入流场驻点附近的无穷小邻域,使得处理该轴承在球面坐标系中球窝中心点保角变换不存在这一数学难题成为可能,并给出了用伽辽金加权余量法进行有限元离散时边界条件的数学描述.计算结果表明,尽管边界条件不同,"比例分割算法"对闭式气体球轴承气膜压力场的求解仍然有效,只是迭代时间稍长.环面节流多孔闭式球轴承在气膜中心区域存在流动滞止区,滞止区压力基本相等且高于远离供气孔的其它气膜区域的压力.     

狭缝节流气体静压轴颈—止推轴承静脉特性分析

在气体静压轴颈－止推轴承的离散化过程中，采用有限元方法，利用加权余量法将其二阶偏微分方程降低一阶，使利用三角单元线性插值函数成为可能，简化了压力分布方程式的计算，给出了轴承的静态特性，分析了结构工艺尺寸、狭缝宽度和轴承间隙等因素对径向和轴向承载性能的影响，揭示了轴颈和止推轴承之间的相互影响规律，并且研究了轴承内部气膜压力分布的规律，最后，通过实测值对计算结果进行了验证。     

可变节流高度气浮支承结构设计及动态性能分析

为了使气浮支承的承载力动态可调,设计了一种可变节流高度气浮支承. 通过建立气浮支承计算流体动力学(Computational Fluid Dynamics,CFD)模型,利用CFD动网格技术来模拟小孔节流器的运动,研究小孔节流器的结构参数、运动参数及气浮支承的工作参数对可变节流高度气浮支承动态性能的影响. 结果表明:通过调节小孔节流器的节流高度可以明显改变气浮支承的承载力;在只考虑单一变量的前提下,气浮支承承载力的波动量随着小孔节流器的运动幅值、运动频率、节流高度、直径和气浮支承供气压强的增加而增加,但随着气膜厚度的增大而减小;当小孔节流器直径较小时,随着小孔节流器运动频率的增加,气浮支承动刚度的增幅很小,但当小孔节流器直径增大时,随着小孔节流器运动频率的增加,气浮支承动刚度的增幅会明显变大.      

超导磁力与静压液膜力复合轴承的静动特性分析

以新一代液体火箭发动机涡轮泵为应用前景,提出了一种带小孔节流的超导-液体静压复合推力轴承.该复合轴承由6块圆形超导瓦和6块带有小孔节流的圆形液体静压推力瓦构成,依靠涡轮泵系统自带的低温介质(如液氢液氧等),可以实现超导磁斥力与流体静压力的复合.基于解耦方法分析了复合轴承的静动特性,重点研究不同液膜厚度下复合轴承的承载力和刚度随节流孔径、液腔直径等的变化规律.在设计工作点附近,超导推力瓦和静压推力瓦的承载力大体相当,而后者的刚度则是前者的300倍以上.理论结果表明该复合结构既可以保证启动阶段无接触摩擦,又能在工作阶段保持较高刚度以抗冲击,对设计高可靠性火箭涡轮泵的轴系结构具有参考价值.     

放射状椭圆截面均压槽对狭缝节流气浮支承的影响研究

为提高狭缝节流气浮支承静态特性，在有腔狭缝节流气浮支承的基础上增加了表面节流均压槽，均压槽呈放射状，周向截面为扇形，径向截面为椭圆，并对其进行了仿真分析. 结果表明:增加放射状椭圆截面的均压槽作为表面节流方式能够优化其承载力以及刚度，但会增加耗气量. 增加均压槽高度、放射角度、数量和半径均能增加气浮支承的承载力. 刚度峰值对应的气膜厚度会随均压槽高度增加但峰值基本保持不变；刚度峰值对应的气膜厚度会随均压槽辐射角度增加且峰值也会略微增加；当均压槽数量大于4时，随着均压槽数量的增加，刚度峰值均出现在气膜厚度h₂为13 μm附近，但刚度峰值会随均压槽数量的增加而产生较大增幅；刚度峰值对应的气膜厚度会随均压槽半径的增加而减小，但峰值会随均压槽半径的增加而增加.      

氦气－空气混合环境中微型螺旋槽止推气浮轴承的承载特性分析

针对氦气-空气混合气体环境,分析了不同氦气体积含量下混合气体的黏度和分子平均自由程,利用有限单元法求解雷诺方程二阶滑移修正模型,计算了微型螺旋槽气浮轴承的气压和气膜厚度,研究了氦气体积含量、螺旋槽深度和转速对气浮轴承承载能力的影响.分析结果表明:当螺旋槽深度由1μm增至10μm时,气浮轴承的气膜厚度先增加后减小,槽深为5μm时,气膜厚度最大,气浮轴承的承载能力最佳.此外,当槽深小于5μm时,混合气体的分子平均自由程对气膜厚度的影响较大;当槽深大于5μm时,混合气体黏度的影响起主导作用.     

Externally pressurized air journal bearing with multiple supply holes

A theoretical analysis is made to predict the load carrying capacity, flow requirement, and stiffness of an externally pressurized air lubricated journal bearing with several supply holes. The load, flow, and stiffness, expressed in dimensionless parameters, are presented for various bearing design parameters and eccentricity ratios. The design procedure of one such bearing either for maximum load capacity or for maximum stiffness is indicated.     

Inertia effects in externally pressurized bearing with viscoelastic lubricant

A theoretical investigation of inertia effects on the load capacity of an externally pressurized bearing with a visco-elastic lubricant is presented. The methods of iteration and averaged inertia have been employed to find an approximate solution of the resulting non linear differential equation. Graphical representation of results together with those for the case without inertia has been shown. It is found that the elasticity of the liquid increases the load bearing capacity and the pressure at a point in the lubricant film. There is a negative contribution to the load capacity by inertia forces.     

Actively compensated aerostatic thrust bearing: design,modelling and experimental validation

Active compensation is an effective method for increasing air bearing static and dynamic performance. This paper describes the design, modelling and experimental validation of an actively compensated externally pressurized gas bearing. The active compensation is obtained through the support compensation strategy. With this strategy, the system’s initial working position is restored by compensating for air gap variations through adjustments to the bearing vertical dimension. The described bearing consists in a conventional thrust bearing which is integrated with a multilayer piezoelectric actuator, a compliant mechanism and a digital controller. Nevertheless the non-linear nature of the air system, a simple linear model results to be an effective choice for neighbour of equilibrium conditions. Results demonstrate the good accuracy of the model and the system’s good capacity of rejecting external force disturbances.     

环面节流静压气体球轴承的相似准则

从静压气体润滑基本控制方程组的无量纲化着手,在详细分析静压气体轴承的耦合边界条件及非定常雷诺气体润滑方程特性的基础上,对Constantinescu给出的动压气体轴承相似准则进行补充,得到环面节流静压气体球轴承定常气体润滑膜及非定常气体润滑膜的相似准则.数值实验的结果表明:数值计算结果与相似理论分析结论完全一致;当其它参数不变时,不同球半径的2个球轴承的气膜流场相似;球半径改变对轴承动静态性能的影响可以利用相似理论进行分析.     

Effect of velocity-slip in externally pressurized porous thrust-bearing

In this paper, a theoretical investigation of the effect of slip velocity in externally pressurized porous thrust bearing has been made by using the boundary condition given by Beavers and Joseph. The expressions of bearing characteristics have been obtained in closed form. It has been noticed that the load-capacity and time of approach is greatly influenced by a new dimensionless parameter, called the “Bearing Number”, which gives the effect of the slip parameter.     

Pressure Distribution in a Curvilinear Thrust Bearing with One Porous Wall Lubricated by a Bingham Fluid

The influence of wall porosity on the pressure distribution of a Bingham fluid flowing in the clearance of a curvilinear thrust bearing is considered. The formulae expressing the pressure distribution are obtained for two cases, namely: an externally pressurized bearing and a squeeze film bearing. The example of a squeeze film between parallel disks is discussed in detail.     

Experimental investigation of bubbly lubricated externally pressurized thrust bearings

Experimental results are presented for a bubbly lubricated externally pressurized circular thrust bearing. The data consists of the measured radial pressure distribution together with the lubricant mass flow rate over a wide range of inlet pressure, air mass flow rate ratio, for an either stationary or rotating bearing.It is shown that the air injection always improves the pressure distribution in the bearing and so can completely avoid the negative pressure generated due to rotational inertia. Also it is shown that the bearing load carrying capacity increases as the injected air mass flow increases, especially at high inlet pressure. The lubricant mass flow rate is reduced by the increase of air mass flow rate and by the decrease of bearing rotational speed.Finally the experimental results described in this paper are in good agreement with the mathematical analysis, based on the homogeneous flow model presented previously.     

基于N-S方程的多孔质气膜悬浮力学模型研究

为了研究多孔质气浮承载系统设计参数对气膜厚度的影响特性,以平行圆板模型为对象,建立了包含多孔质特性和缝隙流特性的气膜悬浮静态模型,分析了承载系统多孔质部分的受力特性,得出了气膜厚度控制方程,并利用改进弦截法进行求解。理论计算和实验结果对比表明,基于气膜简化模型的数值计算结果与实验值吻合较好,验证了理论模型的有效性。通过数值计算结果,探讨了通气量和承载力变化对气膜厚度的影响规律。研究表明,气膜厚度受通气量及承载力的影响,可通过对通气量及承载力进行最优控制,以使气膜厚度满足环境使用要求。