２０１０年３月 第３５卷第３期 润滑与密封
ＬＵＢＲＩＣＡＴＩＯＮ ＥＮＧＩＮＥＥＲＩＮＧ Ｍａｒ．２０１０ Ｖｏｌ｜３５ Ｎｏ．３
ＤＯＩ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．０２５４—０１５０．２０１０．０３．０１８ 小孑Ｌ节流方式对静压气体球轴承工作特性的影响
解鹏 金光 张雷 姜明洙 （１．中国科学院长春光学精密机械与物理研究所吉林长春１３００３３； ２．中国科学院研究生院北京１０００３９）
摘要：介绍了静压气体球轴承的结构形式和工作原理；给出了静压气体球轴承工作特性的工程计算方法；研究了 在轴承几何参数相同的情况下，不同的小孔节流方式对静压气体球轴承工作特性的影响，并建立模型，通过Ｆｌｕｅｎｔ软件 对轴承的承载能力进行了仿真分析。结果表明：在设计参数相同的情况下，静压气体球轴承在环形孔式节流方式下的静 刚度特性较好，但在简单孔式节流方式下有更好的承载和流量特性。 关键词：小孔节流；静压气体球轴承；工作特性 中图分类号：ＴＨ１３３．３文献标识码：Ａ文章编号：０２５４—０１５０（２０１ｏ）３—０７７—４
Ｔｈｅ Ｅｆｆｅｃｔ ｏｎ Ｏｐｅｒａｔｉｎｇ Ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ Ｓｔａｔｉｃ Ｐｒｅｓｓｕｒｅ Ｇａｓ Ｂｅａｒｉｎｇ ｆｏｒ Ｄｉｆｅｒｅｎｔ ０ｒｉｆｉｃｅ Ｘｉｅ Ｐｅｎｇ ・ Ｊｉｎ Ｇｕａｎｇ Ｚｈａｎｇ Ｌｅｉ Ｊｉａｎｇ Ｍｉｎｇｚｈｕ （１．Ｃｈａｎｇｃｈｕｎ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｏｐｔｉｃｓ Ｆｉｎｅ Ｍｅｃｈａｎｉｃｓ ａｎｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ，Ｃｈｉｎｅｓｅ Ａｃａｄｅｍｙ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅｓ，Ｃｈａｎｇｃｈｕｎ Ｊｉｌｉｎ １３００３３，Ｃｈｉｎａ； ２．Ｇｒａｄｕａｔｅ Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ ｔｈｅ Ｃｈｉｎｅｓｅ Ａｃａｄｅｍｙ ｏｆ Ｓｉｃｅｎｃｅｓ，Ｂｅｉｊｉｎｇ １０００３９，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｆｏｒｍ ａｎｄ ｗｏｒｋｉｎｇ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ ｏｆ ｓｔａｔｉｃ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｇａｓ ｂｅａｒｉｎｇ ｗｅｒｅ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ，ｔｈｅ ｐｒｏｃｅｓｓ ｏｆ ｅｎｇｉ— ｎｅｅｒｉｎｇ ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ ｆｏｒ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ ｔｈｅ ｇａｓ ｂｅａｒｉｎｇｓ ｗａｓ ｇｉｖｅｎ，ｔｈｅ ｅｆｆｅｃｔ ｏｎ ｏｐｅｒａｔｉｎｇ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ ｓｔａｔｉｃ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｇａｓ ｂｅａｒｉｎｇ ｆｏｒ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｏｒｉｆｉｃｅ ｗａｓ ｓｔｕｄｉｅｄ，ｔｈｅ ｍａｔｈｅｍａｔｉｃａｌ ｍｏｄｅｌ ｗａｓ ｓｅｔ ｕｐ，ａｎｄ ｔｈｅ ｏｐｅｒａｔｉｎｇ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ ｂｅａｒ－ ｉｎｇ ｗａｓ ｓｉｍｕｌａｔｅｄ ｂｙ ｕｓｉｎｇ Ｆｌｕｅｎｔ ｓｏｆｔｗａｒｅ．Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ，ｆｏｒ ｔｈｅ ｂｅａｒｉｎｇｓ ｏｆ ｔｈｅ ｓａｍｅ ｄｅｓｉｇｎ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ，ｔｈｅ ｓｔａｔｉｃ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｇａｓ ｂｅａｒｉｎｇ ｏｆ ｒｉｎｇ—ｈｏｌｅ ｔｈｒｏｔｔｌｅ ｈａｓ ａ ｂｅｔｔｅｒ ｓｔｉｆｆｎｅｓｓ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ，ｔｈｅ ｂｅａｒｉｎｇ ｏｆ ｓｉｍｐｌｅ—ｈｏｌｅ ｔｈｒｏｔｔｌｅ ｈａｓ ａ ｂｅｔ— ｔｅｒ ｃａｒｒｙｉｎｇ ｃａｐａｃｉｔｙ ａｎｄ ｆｌｏｗ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｏｒｉｆｉｃｅ；ｓｔａｔｉｃ—ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｇａｓ ｓｐｈｅｒｉｃａｌ ｂｅａｒｉｎｇ；ｏｐｅｒａｔｉｎｇ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ
随着航空航天技术的迅猛发展，对空间飞行器在 空间的运转提出了更高的要求，因此空间飞行器的地 面全物理仿真变得愈加重要。空间飞行器的全物理仿 真平台——三轴气浮转台依靠压缩空气在气体球轴承 与球轴承座之间形成气膜，使模拟台体浮起，从而实 现３个轴向上失重和无摩擦的相对运动条件 。静压 气体球轴承提供了三自由度的低摩擦运动，是三轴气 浮转台的核心部件。在静压气体球轴承设计中，关键 是ｄ，：ｆＬ节流器的设计，它不仅决定了轴承的主要性 能，而且涉及轴承的制造方法以及产品的推广应用。 因此小孔节流器节流方式的选择显得尤为重要。 目前国内关于小孑Ｌ节流器方面的研究还比较少， 本文作者研究了在轴承几何参数相同的情况下，不同 收稿日期：２００９—０９—２３ 作者简介：解鹏（１９８５一），男，硕士，主要从事精密机械结构 设计及气浮轴承方面的研究．Ｅ—ｍａｉｌ：ｘｉｅｐ＠ｍａｉｌ．ｕｓｔｅ．ｅｄｕ．ｅｎ． 小孔节流方式对轴承工作特性的影响，得到了不同小 孔节流方式下轴承的承载能力、静刚度及体积流量曲 线，并通过Ｆｌｕｅｎｔ软件对流场进行分析。计算及分析 结果表明静压气体球轴承在简单孔式节流方式下比在 环形孔式节流方式下有更好的工作特性。 １ 静压气体球轴承与ｄ￣：ｆＬ节流器 １．１静压气体球轴承
图１ 多孔静压气体球轴承 Ｆｉｇ １ Ｇａｓ ｓｐｈｅｒｉｃａｌ ｂｅａｒｉｎｇ ｏｆ ｐｏｒｏｓｉｔｙ ７８ 润滑与密封 第３５卷 静压气体球轴承一般有单节流孔球轴承和多节流 孔球轴承２种结构形式，其工作原理基本相同。下面 将以多节流孔形式为例研究小孔节流方式对轴承工作 特性的影响，其结构如图１所示 。它由一个球面和 一个等半径的球缺状球窝组成，球缺再由顶角为０ 和 的圆锥截成球带形状，球带的中心线处分布有 若干小孔节流器，其具有小孔形式的狭窄气体通道。 当外部加压气体流过小孑Ｌ节流器的狭窄通道时， 由于节流效应，气体部分动能转化为势能，导致气体 压强降低且保持相对稳定。因此，在经过轴承工作面 上的小孔节流器后，外部加压气体进入到轴承内部的 间隙，形成具有支撑外载荷能力、并具有一定刚度的 润滑气膜。所以小孔节流器节流方式的选择是静压气 体球轴承设计的关键。 １．２ 小孔节流器的类型和比较 对于小孔式节流器 ，主要有简单孔式节流和环 形孑Ｌ式节流２种节流方式，如图２、３所示。这２种 节流方式的性质不同，简单孔式节流是发生在小孔喉 部最小截面处，节流截面积Ａ＝叮Ｔ ／４，是固定节流 型；环形孔式节流是在４ｑＬ周边与轴承间隙高度所形 成的柱面上发生的，节流截面积Ａ＝＂ｒｒｄｈ，是可变节 流型。因此导致２种轴承的性能也大不一样。 图２简单孔式节流器 Ｆｉｇ ２ Ｔｈｒｏｔｔｌｅ ｏｆ ｓｉｍｐｌｅ ｈｏｌｅ ： 每 ／／ 图３环形孔式节流器 Ｆｉｇ ３ Ｔｈｒｏｔｔｌｅ ｏｆ ｒｉｎｇ ｈｏｌｅ 为保证ｆｌ，￣Ｌ节流器具有简单孔式节流器特性，一 般在小孔出口开出一个气腔（如图２中气腔直径为 ｄ，、深度为 ），使得１ｒ ｈ＞，ｎ－ｄ ／４并且使节流孔圆 周在气腔内围成的环形面积＂ｒｒｄ（６＋ｈ）大于节流孔 横截面积＇ｒｒｄ ／４。气腔直径ｄ，和深度６都与气膜厚度 ｈ有关，在小孑Ｌ直径ｄ一定时，当气膜厚度ｈ减小到 某一值之后，小孔节流器由简单孔式节流转变为环形 节流方式。 ２小孔节流方式对静压气体球轴承工作特性的影响 ２．１ 球轴承工作特性的计算方法 图１中静压气体球轴承的几何参数有：球窝外包 角０ 和内包角 ，节流孔分布锥角 ，半径Ｒ，节 流孔直径ｄ及数目ｎ。而且由图中可得，球心的起浮 高度为ｅ，气膜高度为ｈ＝ｅｃｏｓ０ｏ，供气压力为Ｐ ，外 界环境气体压强为Ｐ ，小孔节流器出口处的气体稳定 压强为Ｐ 。节流孔分布锥角 可以根据球窝外包角 ０。和内包角０ 求出。 根据流量守恒推导出的非线性气体轴承通用曲线 方程为： ＝／ ＝（卢 一 ）／（ ） （１） 式中： 表示气体通道系数； 表示工作介质系数； 表示轴承结构系数； 为无因次供气压力ｐ。／ｐ 的 倒数； 为小孔节流器的节流压力比ｐ 。； 是由节 流压力比 决定的流量系数。
，一ｄｐＡｎ Ｊ１—— ３ ｅ
（２）
： ／ （３） 止一叮Ｔ，＼／ｐ
［ ｎ ＋ １一 １］［１ｎ ＋ １一 ］
ｍ ＋ 一２—ｃｏｓ—２０
１
ｐ。＝（ｐ ＋ｃｐ —ｐ 一］ 、ｋ ＋ 一２ ｅｏｓ２０
２
］ ｐ
：＝ｌ ｐ ＋（ｐｊ—ｐ — — Ｉ — ＋
２ ｃｏｓ：Ｏｏ
ｔａｎＯ 一２ ｃｏｓ ｊ＼ ， ／ ２０１０年第３期 解鹏等：小孔节流方式对静压气体球轴承工作特性的影响 ７９ 角对应的气体稳定压强。 根据求出的小孔节流器出Ｉ＝Ｉ处的压强Ｐ ，可由 式（５）、（６）计算出气膜中的压强分布。 将求得的气膜压强沿球面积分即得轴承的承载能 力 ： ＝ ｓｉｎ２０ｄ０＋ Ｐ２ ｓｉｎ２０ｄ 一
ｎｚ０２一ｓｉｎＺＯ．）） ２ｐ０ （７）
轴承的静刚度 是承载力 的导数。 Ｋｗ＝
ｄ ｄｅ （８）
由节流效应可得轴承的流量公式为
印。√ （９）
２．２ 不同小孔节流方式下轴承工作特性的计算结果 及分析 不失一般性，现取球半径为７０ ｍｍ，球窝中心孔 直径为１６ ｍｍ，弦高为３９．５ ｍｍ，供气孑Ｌ直径取０．２ ｍｍ，供气孔数取６，设供气压力为０．３ ＭＰａ。在上述 参数不变时，计算在不同节流方式下，不同起浮量的 工作特性曲线分别如图４～６所示。
图４不同节流方式时轴承承载力特性曲线 Ｆｉｇ ４ Ｔｈｅ ｂｅａｒｉｎｇ ｃａｐａｃｉｔｙ ｃｕｒｖｅ ｏｆ ｄｉｆｅｒｅｎｔ ｔｈｒｏｔｔｌｅ
０ ０．０２ ０．０４ ０．０６ ０．０８ ０．１ ｈｅｒｉｃａｌ ｃｅｎｔｅｒｆｌｕｃｔｕａｔｉｏｎ ｈｅｉｇｈｔ／ｍｍ
图５不同节流方式时轴承静刚度特性曲线 Ｆｉｇ ５ Ｔｈｅ ｂｅａｒｉｎｇ ｓｔｉｆｎｅｓｓ ｃｕｒｖｅ ｏｆ ｄｉｆｅｒｅｎｔ ｔｈｒｏｔｔｌｅ
０ ０．０２ ０．０４ ０．０６ ０．０８ ０．１ Ｓｐｈｅｒｉｃａｌ ｃｅｎｔｅｒ ｆｌｕｃｔｕａｔｉｏｎ ｈｅｉｇｈｔ／ｒａｍ
图６不同节流方式时轴承体积流量曲线 Ｆｉｇ ６ Ｔｈｅ ｂｅａｒｉｎｇ ｆｌｏｗ ｃｈｉｖｅ ｏｆ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｔｈｒｏｔｔｌｅ
图４表明在简单孔式和环形孔式节流方式下，随 着球心起浮高度的增加，轴承的承载能力都是单调下 降的，轴承均在最小气膜高度下取得最大的承载能 力，且最大承载力基本相同。相对于在环形孔式节流 方式下的承载力曲线，在简单孔式节流方式下的承载 力曲线在球心起浮高度０．００５～０．０４５ ｍｍ范围内向上 发生了偏移，其余部分基本相同，从最小气膜高度到 供气孔达到滞止状态时的可变气膜间隙基本保持不 变。 图５表明在简单孔式和环形孑Ｌ式节流方式下，随 着球心起浮高度的增加，轴承的静刚度曲线变化趋势 相似，均为先单调增加再减小，曲线存在一个最大静 刚度点。相对于在环形孔式节流方式下的静刚度曲 线，在简单孑Ｌ式节流方式下的静刚度曲线最大静刚度 点的位置及最大静刚度值不同。 图６表明在简单孔式和环形孑Ｌ式节流方式下，随 着球心起浮高度的增加，轴承的体积流量曲线变化趋 势相似，均为单调递增达到极值后保持不变，且极值 相同。相对于在环形孑Ｌ式节流方式下的体积流量曲 线，在简单孔式节流方式下的体积流量曲线递增速率 较大，随球心起浮高度增长更快地达到极值。 综上可知，在设计参数相同的情况下，静压气体 球轴承在简单孔式节流方式下以及在环形孔式方式下 的工作特性曲线变化趋势基本相似，但曲线的变化速 率与极值有差异。在环形孔式节流方式下，轴承的静 刚度特性较好，在简单孔式节流方式下其承载能力和 流量特性更好。 ２．３ 不同小孔节流方式下轴承承载能力的仿真结果 及分析 由图４～６轴承的工作特性可得，在简单孔式节 流方式下，当静压气体球轴承的球心起浮高度在 ０．０１７ ｍｍ时为工作状态点。