2019年第6期
液压与'动
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doi ： 10.11832/j. issn. 1000-4858.2019. 06.006
动静压气体轴承的结构参数设计
王东强，于贺春，王广洲，李智浩，赵则祥
(中原工学院机电学院，河南 郑州450007)
摘要：针对人字槽狭缝节流动静压气体轴承的结构参数对轴承静态特性的影响，采用四因素三水平
引言 动静压轴承是高档精密机床及测量仪器的主要部
件，具有稳定性好、精度高,抗干扰能力强等优点［1"4］o 目前，动静压轴承润滑方式有水润滑、油润滑、气体润 滑等［5-6］o其中，以空气作为润滑介质的动静压轴承 受到越来越多的科研人员的重视,在高精度磨床,圆柱 度仪、三坐标测量机等精密设备上得到广泛应用。
专家学者对气体动静压轴承的各方面特性进行了 大量研究。王云飞等［7］在《气体润滑理论与气体轴承
设计》一书中详细介绍了动静压混合润滑气体轴承的 稳态设计和动态设计，为孔式、缝式、孔-腔型的气动静 压轴承提供了理论指导。孟曙光、郭胜安等［8-9］分别 采用CFD软件仿真和数值计算的方法对小孔节流深
收稿日期：2018-08-31 基金项目：国家自然科学基金(51405523,51475485) 作者简介：于贺春(1982*),男，河南驻马店人,副教授，博 士，主要研究方向为气体润滑技术、精密机床。
0.53
0.49
7
3
1 3 3 3 0.43
0.71
0.40
0.42
0.41
8
5
2 2 3 1 0. 33
0.44
0.39
9
6
2 3 1 2 1.00
0. 33
0.67
4
7
3 1 3 2 0.46
1.00
0.73
2
8
3 2 1 3 0.99
计算比较序列相对于参考序列在第i点绝对差结
果如下：
!1(1)=丨 5* (1) -51 (1)
=1.00 - 0.80 = 0.20
(3)
△02 (1)=丨 5* (1) -5 (1)
=1.00 - 0.73 = 0.27
(4)
按照上述的计算方法得出每次仿真的比较数列与
参考数列绝对差△,结果表5所示。
试验序列
1 2 3 4 5 6 7 8 9
表5绝对差值表 △oi ( 1)
0.20 0.62 0.65 0.75 1.00 0.00 0.59 0.09 0.54
△oi ( 2)
0.27 0.45 0.21 0.68 0.62 1.00 0.00 0.16 0.41
其中，和 △min的 值为：
△ ! = bo 05 (1) =!。6 (2) =1.00
，采用分区
格,
将 的三维流场模型 为狭缝节流器区域、轴承
气膜间隙区域
区域3部。
部的尺
适的网格大小，并
气膜以及动压 :
加密，网格
成后的
型如图3所示。
而
构
优化设计。
3.1 设计正交参数表
动静压 的节流器和动压 接决定着 的
性能， 将狭缝节流器和
的结构作为
的
重点•以 的 载力和静刚度作为优化目标，根据
献［17-19 )，
7
9
6
12
18
635.44 87.20
8
9
8
8
20
550.31 91.80
9
9
10
10
16
628.81 97.50
3.2灰色关联分析 3中的
和静刚度值的
预处理，分别得到 载力 ， 4所示,处理式 ：
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»/ 、
max%0 (= ) 一％0 (= )
/、
5/( = $ = ----- 57(7)),--------n 0(( =)$
为大气压力，设置旋转面，旋转速度为120000 r/min；
(5)
解，并 置求解 。设置完成后，
化， 迭 解。
在Fluent软件后处理中可以直接得到偏心量为h
时的气膜静承载力T，
式 气膜的静刚
度F
F T( h + !h) - T( h)
K二
!
((i 1))
式中，K——静态刚度,N/#m
T------ 静态承载力，N
度、
度、狭缝宽
度以及狭缝深度为
，以4
的3个不同值
为三水平，
2所示的
水平的正交表o
人字槽 区域
狭缝节流器 区域
轴承气膜间隙 区域 .
图3人字槽狭缝节流动静压气体轴承的网格模型
Fluent求解中的边界条件设置如下：
(1) 流动过程设置为绝 程；
(2) 气体设置为理想气体；
(3) 气体流动状态 层流；
(4) 气口压力恒定设为0.6 MPa，出气孔压力设
此在转子上加工两
，轴承-转子系统图如图1
所示。
CFD -
解过程,利用Solidworks软 ；
狭缝节流
气体动静压
态特性的求解模
型，如图2所示，
型的
1所示。
狭缝节流器 轴承
a)轴承-转子结构图 b)转子展开图
表1轴承参数 轴承参数 轴承直径3/mm 轴承长度S/mm 偏心率气膜厚度B/#m 狭缝个数！ 每段狭缝对应的圆心角(/( °) 两端狭缝的间隔角度2(。 人字槽距轴承端面距离厶/mm 人字槽周向长度i2/mm 螺旋角/3/( °) 2个人字槽的间隔角度//( °) 人字槽个数+
提供了理 持。
于上述 ，本
狭缝节流
气
体动静压
。
以狭缝作为节流器,
为动压槽，其
狭缝节流器的气膜内轴
向流动干扰小、散射效应低、温度影响小等优点以
的承载力大、低、稳定性好等优点。利用
Fluent软
、正交验法以
关
法相
的 法， 狭缝节流
气体动 压 的
构
优化，以提
的静态特性。
1
轴承计算模型
到在 内侧表面加工
难度较大，因
的正交试验法，以人字槽深度Bg、人字槽宽度Q#狭缝宽度Z以及狭缝深度R为4种因素，以4种参数的3个 不同取值为3种水平，组合成正交表。采用Solidworks软件、ICEM软件以及Fluent软件对正交表中的各种
组合的人字槽狭缝节流动静压气体轴承分别进行三维建模，网格划分以及仿真求解。根据仿真结果，利用灰 色关联分析法分析与轴承静承载力、静刚度的关系最密切的轴承参数组合，及各个轴承参数对轴承的静承载 力以及静刚度的影响程度，为动静压气体轴承的结构参数设计提供理论基础。
数值
50 70 0.5 10 6 45 15 8 18 45 30 10
tb
%
d)人字槽结构图
图1轴承-转子系统图
图2三维人字槽气体动静压轴承静态特性的求解模型
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2
分及仿真条件的
狭缝厚度、气膜厚度
度与模型其他尺
寸相差较大，若将模型
体化网格 ，则会 成
格畸变，降低 精度。
关键词：正交试验法；灰色理论;动静压轴承；结构参数;仿真建模 中图分类号:TH138 :TH133.35 文献标志码：B文章编号：l°°°制858 (2019)06制029制6
Structural Parameters Design of Hybrid Journal Bearings
WANG Dong-qiang, YU Ha-chun, WANG Guang-zhou, LI Zhi-hao, ZHAO Za-xiang
(7)
式中，.为灰色关联系数;.为灰色关联度。
每次仿真的比较序列与参考序列在=点的灰色关
联系数及灰色关联度如表6所示。
表6 k点的灰色关联系数及灰色关联度
仿真 序列 '1
因素
'3
灰色关联度系数 灰色关联度
静承
灰色关
静刚度
排序
载力
联度值
1
1 1 1 1 0.71
0.65
0.68
3
2
1 2 2 2 0.45
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腔动静压 的承载特性
，并将
与实验
，
软
和数值 方
法的正确性。
等U0"1〕利用Fluent软
构与
式节流螺旋槽动静压轴
的稳态承载性能的 ，得到
最佳性能下的
构
。
、
、光等[12"14]^
别运用有 法、遗传法、有体积法与正交试验法
相 的方法对动静压
优化 ，为得到最
佳的 特性以及最优的
!----偏心量变化量，值取1 #m 3轴承结构优化
交试验法是用“正交”
和
验的
理统 法，
法的优点是试验次
，效 好，方法
，使用 便,效率高(15一16)。尺
关
法对小样本的评价问题预测性 ，在充
分利用已有 的 上,得到各个方案与最优方案
的关联度，判断案的优劣。
上述2
法的特
点，对需
的
构
交表，然后
利用 关
法 交表中的
R
仿真 结果/ #m 静承载力 静刚度
'/#m '2/mm '3/#m '/mm
T/N
K
1
5
6
8
16
578.147 93.50
2
5
8
10
18