静压止推气体轴承性能分析

摘要

本文主要研究静压止推气体轴承的几何参数对其静态和动态性能的影响。利用商用计算流体力学软件FLUENT对轴承的气膜流场进行数值仿真，计算轴承在不同几何参数下的承载能力、气体流量和动态响应指标，分析轴承几何参数对其性能的影响，从而实现静压止推气体轴承的优化设计。 本文首先建立静压止推气体轴承的数学模型，应用差分法求解雷诺方程计算轴承的静态性能；采用FLUENT软件包的前处理软件GAMBIT建立不同几何尺寸的静压止推气体轴承的气膜模型，利用FLUENT求解器仿真气膜的流场，获取静压止推气体轴承的静态性能参数：轴承的承载能力、气体流量、静态刚度。分析轴承的几何参数对其静态性能参数的影响。 在轴承的静态性分析基础上，利用FLUENT软件的动网格功能，计算轴承的动态性能。设计用户自定义函数(UDF)，定义阶跃信号输入给轴承的气浮块，仿真分析轴承止推板的运动输出。获取轴承动态性能指标：上升时间、峰值时间、最大超调量和调整时间；分析轴承几何参数对其动态性能影响。通过MATLAB软件的系统辨识工具，根据轴承的阶跃响应辨识出轴承等效弹簧阻尼模型的弹性系数和阻尼系数。设计静压止推气体轴承的实验测试平台，用以验证FLUENT仿真的数据。 研究结果表明静压止推气体轴承几何参数和其静态、动态性能密切相关。节流孔直径和气膜厚度越小，气腔直径越大，轴承的承载能力和气膜刚度越好,而气腔深度对轴承的静态性能影响较小。静压止推气体轴承的外径较大时，轴承的动态性能更好；随着节流孔直径的增加，上升时间，峰值时间 增加，意味著轴承对输入信号响应速度变慢；随着轴承气腔直径的增加，上升时间，峰值时间 减小，最大超调量 增加，意味著轴承对输入信号的响应速度提高，但是动态过程中的震荡变得强烈。FLUENT可以有效的应用于静压止推气体轴承的性能分析与优化设计。