雷诺气体润滑方程的适用范围

就前人对可压缩雷诺方程基本假设适用范围的研究结果进行了归纳,指出常规亚音速气体轴承在正常的工作气膜间隙下,雷诺方程的基本假设是成立的.但供气孔、节流气腔以及气膜中可能出现的边界层发展区、超音速区的气体流动则并不满足雷诺方程.     

惯性力影响的平面推力气浮轴承能量方程

为简化较大间隙时气浮轴承的数学模型,利用量纲分析方法推导了包含惯性力影响的三维平面气浮轴承的能量方程,得到温度一马赫数关系式.在壁面温度为常值条件下,气膜内的温度与马赫数有关:马赫数急剧增大时,轴承内温度快速下降;马赫数急剧减小时,温度迅速回升;马赫数为1时,最低温度与壁面温度相差20%.当轴承问隙内的气体处于亚音速流动时,温度降低,但降低的程度有限,近似计算轴承的动静态特性时可以忽略温度变化.使用CFD软件计算了较大间隙下气膜内的压力、温度和马赫数分布.结果表明,理论计算值与测试值吻合较好.     

理想气体条件下平行圆盘止推气体轴承承载力特性研究

在高供气压力和大间隙下,平行圆盘止推气体轴承间隙中呈现出超音速主流区与边界层的复杂作用而导致高度复杂的流场。为探讨超音速主流区的特性,采用绝热理想气体和简化轴承模型分析环境背压不变时气膜间隙中流动状态与供气总压的依赖关系,推导出以供气总压和马赫数为主要变量的不同流态下轴承承载力的计算公式。结果表明,随着供气总压的变化,间隙内可能出现4种不同的流动状态,具体由供气总压与3个特征滞止压强的比值来决定;3个特征滞止压强与出口背压的比值仅取决于圆盘的内外半径比。当供气总压在环境背压和第2特征滞止压强之间时,随着供气总压的增大,轴承承载力从0降至最低负值;当供气总压大于第2特征滞止压强时,轴承承载力随着供气总压的提高而线性增大。     

特征线坐标系下柱对称超音速流膨胀波计算方法研究

在静压圆盘止推气体轴承柱对称超音速流膨胀波系的计算中,借鉴Liepmann的特征线坐标系与自然坐标系变换理论和Liepmann引入两个黎曼不变量的方法,使得边界条件的处理更为直观和简便。采用特征线坐标系下的特征线法,推导计算该膨胀波系所用到的基本计算公式,将其应用于P-M流动并与P-M流动理论解进行比较。结果表明,数值计算结果与P-M流动理论解吻合,该计算方法可行。     

箔片动压止推气体轴承流固耦合数值模拟

针对鼓泡弹性箔片动压止推气体轴承的结构,在假设内部流体为层流、沿气膜厚度方向压力不变、忽略流体体积力和惯性力的基础上,建立了可压缩性流体Reynolds方程;采用有限差分法,在考虑流场为等温过程的条件下,对Reynolds方程进行了数值求解,得出轴承内部的压力分布。充分考虑鼓泡结构在压力作用下的弯曲变形,采用双向流固耦合模型,分析了顶层箔片的变形与压力场之间的相互作用,结合薄板弯曲模型得出的轴承顶层箔片的变形和气膜间隙分布,分析了轴承数、箔片结构对轴承性能的影响。研究结果表明:支承结构位置不当会直接影响气膜压力的分布,造成承载能力下降;提高轴承数、增大进出口气膜间隙比和轴承内外径之比,可以提高轴承的承载性能;节距比为0.5时承载性能最佳。该结果可为鼓泡弹性箔片动压止推气体轴承的结构设计提供参考。     

新型三瓣式径向气体箔片动压轴承热特性分析

为研究新型三瓣式径向气体箔片动压轴承的温度特性，提出了考虑热特性的润滑理论计算模型. 通过耦合求解非等温Reynolds方程和气膜能量方程，并计入转子的离心效应和热膨胀量对轴承间隙的影响，运用数值模拟的方法求解出轴承内气膜温度分布，研究轴承载荷、转速和冷却气流量等因素对轴承温度的影响. 计算结果表明：气膜温度峰值位于压力峰值的下游位置；气膜温度随轴承载荷和转子转速的增加而递增，相较于转速对气膜温度的影响，轴承载荷的影响并不明显；往轴承箔片结构内通入冷却气流可以起到明显的降温效果，且轴承温度随冷却气流的上升先迅速下降后逐渐平缓.     

气浮探头气膜流场的有限元数值模拟

建立了气膜流场中气体流动的数学模型,在提出了一系列假设条件的前提下,得到了气膜间隙中气体流动的控制方程,即简化的纳维尔-斯托克斯方程及边界条件;采用有限元法对气膜流场进行了有效的数值模拟计算,初步实现了根据外负载的要求来确定气浮探头装置的性能参数.     

气浮探头气膜流场的有限元数值模拟

建立了气膜流场中气体流动的数学模型,在提出了一系列假设条件的前提下,得到了气膜间隙中气体流动的控制方程,即简化的纳维尔-斯托克斯方程及边界条件;采用有限元法对气膜流场进行了有效的数值模拟计算,初步实现了根据外负载的要求来确定气浮探头装置的性能参数.     

多排环形供气孔静压止推气体轴承的研究

为了提高静压止推气体轴承的刚度及承载力,对一种多排环形供气孔静压气体攫推轴承进行了研究,从气体轴承雷诺方程出发,采用Ｇａｌｅｒｋｉｎ加权余量法推导出了控制方程的有限元形式,并由控制方程的边界条件,采用向前迭代法对轴承静特性参数进行了数值求解,分析了不同参数对止推轴承性能的影响,理论分析及试验研究表明,采用多排环形供气孔后,轴承的静刚度性能有了显著提高。     

气浮探头气膜流场的有限元数值模拟

建立了气膜流场中气体流动的数学模型,在提出了一系列假设条件的前提下,得到了气膜间隙中气体流动的控制方程,即简化的纳维尔斯托克斯方程及边界条件;采用有限元法对气膜流场进行了有效的数值模拟计算,初步实现了根据外负载的要求来确定气浮探头装置的性能参数。     

多孔质石墨静压气体推力轴承静态特性

为了研究多孔质石墨静压气体推力轴承的静态特性,建立了相对应的理论计算模型.基于该模型分析了多孔质石墨密度、表面限制层、供气压力以及气体质量流量等因素对多孔质石墨静压气体推力轴承静态特性的影响.理论计算结果表明,轴承承载力与石墨密度成负相关、与供气压力成正相关,并在有表面限制层时较大;气体质量流量与石墨密度成负相关、与供气压力成正相关,并在有表面限制层时较大;轴承的刚度与石墨密度、供气压力成正相关,并在有表面限制层时较大.进一步设计实验台,绘制出多孔质石墨静压气体推力轴承的气膜厚度与承载力的静态特性曲线图.对比发现,实验结果与理论结果吻合较好,从而验证了数值计算方法的可靠性.     

Design and implementation of an active rectangular aerostatic thrust bearing stage with electromagnetic actuators

The design and implementation of an active rectangular aerostatic thrust bearing stage with electromagnetic actuators are presented. The stage is fundamentally precise and simple since the out-of-plane degree-of-freedoms (DOF) of a thrust air bearing are closed-loop controlled by electromagnetic actuators. The design is one-moving-part with mechanical symmetry, and a commercially available air bearing is rigidly attached to the table. The actuators are four independent coils mounted to the guiding surface of the table with iron cores, which are directly machined on the table. A bench level prototype system is developed and out-of-plane axes decoupled models of the system are derived. A control algorithm synthesized by arbitrarily placing closed-loop poles according to the model with air bearing dynamics neglected is implemented by C programming language running on the DOS platform. The stage is capable of vertical direction precision micro-positioning and guiding 3-DOF plane motions without limiting the working range of plane motions. Positioning accuracy of the stage no longer depends upon design and manufacturing of an air bearing, while passive preload of the stage for a flat film aerostatic thrust bearing is eliminated. Supported by the National Natural Science Foundation of China (Grant No. 50475083)     

用可变截面均压槽实现高刚度空气静压轴承的结构设计

提出了弹性可变截面均压槽的概念,并以此概念为核心提出了用弹性环形薄板实现可变截面均压槽、可变节流器复合作用的推力轴承结构和用弹性环形薄板实现可变截面均压槽与刚性均压槽相组合作用的推力轴承结构.对新型气体静压推力轴承的环形弹性均压槽弹性变形的检测结果表明:均压槽的宽度、深度都能随设计压力的改变产生满足控制要求的尺度变化,说明这种结构的设计、制造和检测都是成功的;对新型气体静压推力轴承的载荷特性的检测结果表明:在检测范围内轴承的刚度处处都比较高,约为150 N/μm.有可能用于载荷变化较大的场合,有较好使用前景.     

微小型涡轮发动机圆锥气体静压轴承的特性研究

对用于微小型涡轮发动机的圆锥气体静压轴承的特性开展了理论及实验研究.设计了圆锥气体静压轴承的结构型式,提出了圆锥气体静压轴承的润滑模型及其数值解法,获得了圆锥气体轴承承载力和气体质量流量性能,考察了气膜厚度、供气压力和节流孔数目对轴承性能的影响.建立了圆锥气体轴承测试平台,获得了轴承的质量流量-供气压力曲线,为理论模型的验证提供了实验手段.结果表明,增加供气压力和节流孔数目可提高承载力和气体质量流量;圆锥轴承测试结果与理论结果趋势一致,数据吻合.      

气体静压球面轴承设计理论及其应用

为解决地面模拟空中飞行控制装置的支承问题,试制了气体静压万向球轴承。首先借鉴已比较成熟的气体静压轴颈轴承和气体静压止推轴承的设计方法,根据拓扑理论和力系等效原理将球体转化为等效的圆柱体,对气体静压球轴承进行近似设计。最后应用该设计理论,成功加工出气体静压球面轴承。     

基于有限元法的气浮支承系统的数值模拟与实验研究

气浮支承系统以气体作为工作介质,根据气体润滑理论对气膜中气体的流动作了理论分析,采用有限元法对气膜流场进行了数值模拟,计算出了一定载荷下的速度分布、压力分布和耗气量、承载能力,通过与实验测试结果的对比,说明该方法是可行的。     

水介质液压泵锥形轴配流副轴承间隙的计算

以水介质轴向柱塞液压泵的锥形轴配流副为研究对象,对其在稳定工作状态下形成的滑动轴承的径向间隙计算方法进行研究.采用等效结构参数法将配流副滑动轴承化为轴向推力轴承,根据柱塞轴向液压交变作用力引起轴承内水膜的变化特征推导出水膜厚度变化的速度,再依据锥顶体薄膜挤压效应公式计算出轴承的径向间隙.结果表明,径向间隙是柱塞泵工作压力和配流副结构参数的函数.