一种采用双对称收缩段供气的高压圆盘止推气体轴承及设计方法

摘要

一种采用双对称收缩段供气的高压圆盘止推气体轴承，包括平行设置的上工作圆盘(1)和下工作圆盘(8)，上工作圆盘(1)和下工作圆盘(8)之间构成气体润滑膜(9)，上工作圆盘(1)中心设置有供气部件(2)，供气部件(2)还与上游稳压腔相连接；供气部件(2)中心开设有供气孔(3)，用于引入气流；供气孔(3)下游设有曲面造型的双对称收缩段(4)，用于将轴向低速来流平顺地加速为径向亚音速气流。本发明使收缩段入口的轴向低速来流平顺地加速为收缩段出口处的径向亚音速均匀气流，同时不产生严重的流动分离，并使该气流在气膜出口处进一步加速至超音速。当供气压力超过某一特定值后，这种轴承的承载能力可以随着供气压力的提高而线性增大，适合在高压、重载、大间隙工况下工作。

说明书

技术领域

本发明涉及高供气压力下的静压气体轴承，具体来说涉及一种采用双对称收缩段 供气的高压圆盘止推气体轴承及设计方法。

背景技术

静压气体轴承是一种以气体作为润滑剂的轴承，其原理为气体在外部压力的作用 下形成润滑薄膜，支承外界载荷。气体润滑薄膜具有均化效应，轴承具有旋转精度高、摩擦 系数低、定位精度高、摩擦磨损极小、使用寿命长等优点。但传统结构的静压气体轴承同时 也存在承载力小、刚度低的缺点，使其仅用于轻载精密支承，然而随着现代尖端工业技术的 发展，迫切需要开发重载气体润滑轴承。

Y.Miyake等人在论文“AnExperimentalStudyonExternallyPressurized SupersonicGasThrustBearing,TransactionsoftheASME,1985”中提出了高压重载 气体润滑的思想，让气体以音速或超音速流出气膜间隙，利用超音速流动的特性，即：下游 低压扰动不会影响上游的压力分布，使得气膜间隙内压力不再受到下游环境低压的影响， 并在此基础上设计了一种圆盘止推气体轴承实验装置。实验轴承上、下工作圆盘的整个端 面皆为曲面，分别具有不同的曲面型线，按一维气体动力学理论设计的供气收缩段设置在 上圆盘，下圆盘无供气部件。作者仅给出了供气压力小于0.8MPa时的实验结果，没有提供大 于0.8MPa的实验结果。作者的解释是：在供气压力大于0.8MPa时，该实验轴承供气收缩段出 现严重的流动分离，产生了复杂的流动结构，超出其理论模型的预测范围。

申请号为2007200107771、名称为一种曲面渐扩式进气静压气浮止推轴承的实用 新型专利，提出了一种多供气孔圆盘止推气体轴承，在上工作圆盘表面开设单排或多排供 气孔，每个供气孔下游连接曲面渐扩混合腔；下工作圆盘表面不开孔，是光整平面。这种轴 承相比于采用锐缘供气孔的传统静压圆盘止推气体轴承，其承载能力提高了约10％～ 30％。

因此，现有技术中缺乏专门的方法来设计能较好抑制拐角流动分离的气体轴承供 气收缩段，使收缩段入口的轴向低速来流平顺地加速为收缩段出口处的径向亚音速均匀气 流，同时不产生严重的流动分离，并使气膜入口处的径向亚音速气流在气体润滑膜内进一 步加速为气膜出口处的超音速气流，从而使轴承的承载能力可以随供气压力的提高而线性 增大；已知技术中的曲面渐扩式进气静压止推气体轴承，利用供气孔与气膜间隙之间的曲 面渐扩混合腔来实现流场的过渡，减小流道的压力损失，但没有给出是否能在气膜出口处 实现超音速出流，其对轴承承载能力的提高幅度不够理想。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术存在的不足，提供一种采用双对称收缩段供气的高 压圆盘止推气体轴承及设计方法，使收缩段入口的轴向低速来流平顺地加速为收缩段出口 处的径向亚音速均匀气流，同时不产生严重的流动分离，并使该气流在气膜出口处进一步 加速至超音速。当供气压力超过某一特定值后，这种轴承的承载能力可以随着供气压力的 提高而线性增大，适合在高压、重载、大间隙工况下工作。

本发明一种采用双对称收缩段供气的高压圆盘止推气体轴承，包括平行设置的上 工作圆盘1和下工作圆盘8，上工作圆盘1和下工作圆盘8之间构成气体润滑膜9，上工作圆盘 1中心设置有供气部件2，供气部件2还与上游稳压腔相连接；供气部件2中心开设有供气孔 3，用于引入气流；供气孔3下游设有曲面造型的双对称收缩段4，用于将轴向低速来流平顺 地加速为径向亚音速气流；

下工作圆盘8上设置有与上工作圆盘1上下对称的供气部件7、供气孔6和收缩段5。

上工作圆盘1和下工作圆盘8同轴设置，以旋转轴线为轴心。

所述供气部件2与上工作圆盘1通过螺钉相连，供气部件7与下工作圆盘8通过螺钉 相连。

本发明采用双对称收缩段供气的高压圆盘止推气体轴承的设计方法，包括如下步 骤：

1、已知工作圆盘的半径r₄，收缩段的出口半径l₄，收缩段的出口高度l₃，l₃等于气 膜厚度h的一半；收缩段出口半径与工作圆盘半径之比l₄/r₄＝1/3，设高度方向的特征参数 为z^*，半径方向的特征参数为r^*，取r^*＝l₄，收缩段的无量纲出口尺寸为：z_出口＝l₃/z^*，r_出口＝ l₄/r^*＝1；高度方向与半径方向的特征参数比z^*/r^*取8～10；

收缩段型线的无量纲曲线方程由式(1)确定：

$a=zr\sqrt{\frac{2}{\pi }}{\int }_0^{\frac{3r}{2}}{e}^{-{\frac{r}{2}}^2}dr+\frac{{\mathrm{rz}}^3}{3\sqrt{\pi }}\left[\frac{1}{\sqrt{2}{r}^2}{\int }_0^{\frac{3r}{2}}{e}^{-{\frac{r}{2}}^2}dr-\frac{3}{2r}{e}^{-{\left(\frac{3r}{2}\right)}^2}+\frac{27r}{4}{e}^{-{\left(\frac{3r}{2}\right)}^2}\right]---\left(1\right)$

式中，无量纲半径r＝r_实际/r^*，无量纲高度z＝z_实际/z^*，其中z_实际为型线上各点在z方 向上的实际高度，r_实际为型线上各点在r方向上的实际半径；a为指定常数，取值范围是 0.0006～0.0015；

2、型线入口无量纲高度z_入口根据沿z轴速度分量U(r＝0)的大小与无量纲高度z的 关系曲线来确定；关系曲线由式(2)确定：

$f_0=\sqrt{\frac{2}{\pi }}{\int }_0^{\frac{3r}{2}}{e}^{-{\frac{r}{2}}^2}dr;---\left(2\right)$

$f_1=\frac{1}{2}\left[\frac{1}{r^2}{f}_0-\frac{1}{r}{f^{\prime }}_0-{f^{\prime \prime }}_0\right];$

式中，f₀是与无量纲半径r相关的参量，f₁是与f₀相关的参量；f₀′、f₁′分别是f₀、f₁的一阶导数；f₀″是f₀的二阶导数；实际工况下，气流沿着z轴方向流入收缩段，且入口处速度 较低，型线入口无量纲高度z_入口＝l₁/z^*的取值范围是0.03～0.035；通过收缩段型线的曲线 方程(1)确定型线入口的无量纲半径r_入口＝l₂/r^*。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

1、由于上下两个供气部件形状结构不仅具有轴对称形式，同时关于气膜间隙也完 全对称，因此称作采用双对称收缩段供气，在大气膜间隙(大于100μm)条件下，这种结构可 以得到一种受边界层干扰较小的气膜内部流场。

2、在高供气压力(1MPa以上)和大气膜间隙(大于100μm)条件下，通过对收缩段曲 面型线进行专门设计，使得该轴承流道内的流场结构得到改善，气膜入口处的流场具有良 好的平稳性和均匀度，避免了严重的流动分离。

3、由于适合在高供气压力条件下工作，该轴承的承载能力相比于采用锐缘供气孔 的传统静压圆盘止推气体轴承会得到大幅度提升，并且承载能力可以随供气压力的提高而 线性增大。

附图说明

图1为本发明的整体结构示意图；

图2为图1的A-A向剖视图；

图3为本发明止推气体轴承的二维坐标系统示意图；

图4为收缩段中气流沿z轴的轴向速度分量U(r＝0)的大小与无量纲高度z的关系 曲线图；

图5a为本发明采用双对称收缩段供气的高压圆盘止推气体轴承的承载力W与无量 纲供气压力P₀/Pa的关系曲线图；图中，P₀为供气压力，Pa为环境大气压；轴承的几何参数是： 工作圆盘半径r₄等于30mm，双对称收缩段出口半径l₄等于10mm，收缩段入口半径l₂等于 1.8mm，收缩段入口高度l₁等于2.7mm；轴承的工作参数是：气膜间隙h分别等于0.15mm、 0.20mm、0.25mm；

图5b为本发明采用双对称收缩段供气的高压圆盘止推气体轴承的承载力W与气膜 间隙h的关系曲线图，轴承的几何参数同图5a，轴承的工作参数是：供气压力P₀分别等于 1Mpa、1.5Mpa、2Mpa；

图6为采用锐缘供气孔的传统静压圆盘止推气体轴承的承载力W与无量纲供气压 力P₀/Pa以及气膜间隙h的关系曲线图，轴承的工作参数是：工作圆盘半径r₄等于30mm，供气 压力P₀低于1.3Mpa。

图中，1为上工作圆盘，2为供气部件，3为供气孔，4、5为收缩段，6为供气孔，7为供 气部件，8为下工作圆盘，9为气体润滑膜。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行进一步说明。

参见图1、图2，示出了一种采用双对称收缩段供气的高压圆盘止推气体轴承，其中 包括：

供气孔3、6，分别开设在供气部件2、7的中心位置，用于引入稳压腔中的高压气体， 为其进入具有特定曲面造型的收缩段4、5做好准备。收缩段4、5不仅单独地关于旋转轴线0 形成轴对称结构，而且两者的形状结构关于气膜间隙完全对称，因此称为采用双对称收缩 段供气。

两个供气部件2、7用于连接上游稳压腔(图中没有示出)。为了满足不同工作条件 对轴承部件进行调整的需求，在工作圆盘和供气部件之间设计了可拆卸的螺钉联接。供气 部件的尺寸远小于工作圆盘的尺寸，这样不仅便于供气孔及收缩段的加工，而且调整时不 再需要对尺寸相对较大的工作圆盘进行操作，只需要更换尺寸较小的供气部件，因此可以 提高工作效率，降低成本，节约时间。

上、下两个工作圆盘1、8，用于形成圆盘气体润滑膜9，支承外界载荷，并将收缩段 出口处的亚音速气流进一步加速为气膜出口处的超音速气流；当高压气体流入气膜间隙 时，气膜内部压力高于环境背压，产生承载能力，实现与外界载荷的平衡。

收缩段4、5，分别连接在供气孔3、6的下游，两个收缩段具有完全相同的造型。在图 3所示的二维坐标系统中，已知工作圆盘的半径r₄，收缩段的出口半径l₄，收缩段的出口高度 (等于气膜厚度h的一半)l₃。收缩段出口半径与工作圆盘半径之比l₄/r₄＝1/3，设高度方向 (z方向)的特征参数为z^*，半径方向(r方向)的特征参数为r^*，取r^*＝l₄，收缩段的无量纲出 口尺寸为：z_出口＝l₃/z^*，r_出口＝l₄/r^*＝1。高度方向与半径方向的特征参数比z^*/r^*取8～10。

收缩段型线的无量纲曲线方程由式(1)确定：

$a=zr\sqrt{\frac{2}{\pi }}{\int }_0^{\frac{3r}{2}}{e}^{-{\frac{r}{2}}^2}dr+\frac{{\mathrm{rz}}^3}{3\sqrt{\pi }}\left[\frac{1}{\sqrt{2}{r}^2}{\int }_0^{\frac{3r}{2}}{e}^{-{\frac{r}{2}}^2}dr-\frac{3}{2r}{e}^{-{\left(\frac{3r}{2}\right)}^2}+\frac{27r}{4}{e}^{-{\left(\frac{3r}{2}\right)}^2}\right]---\left(1\right)$

式中，无量纲半径r＝r_实际/r^*，无量纲高度z＝z_实际/z^*，其中z_实际为型线上各点在z方 向上的实际高度，r_实际为型线上各点在r方向上的实际半径。a为指定常数，取值范围是 0.0006～0.0015。

型线入口无量纲高度z_入口根据沿z轴速度分量U(r＝0)的大小与无量纲高度z的关 系曲线来确定,关系曲线由式(2)确定：

$f_0=\sqrt{\frac{2}{\pi }}{\int }_0^{\frac{3r}{2}}{e}^{-{\frac{r}{2}}^2}dr;---\left(2\right)$

$f_1=\frac{1}{2}\left[\frac{1}{r^2}{f}_0-\frac{1}{r}{f^{\prime }}_0-{f^{\prime \prime }}_0\right];$

式中，f₀是与无量纲半径r相关的参量，f₁是与f₀相关的参量；f₀′、f₁′分别是f₀、f₁的一阶导数；f₀″是f₀的二阶导数；实际工况下，气流沿着z轴方向流入收缩段，且入口处速度 较低，型线入口无量纲高度z_入口＝l₁/z^*的取值范围是0.03～0.035；通过收缩段型线的无量 纲曲线方程(1)确定型线入口的无量纲半径r_入口＝l₂/r^*。

通过上述无量纲曲线方程式(1)可以获得收缩段特定的造型曲线，收缩段表面采 用超精细加工技术来控制纹理，用于将上游供气孔流出的高压力轴向低速来流平顺地加速 为收缩段出口处的径向亚音速气流，并且该气流具有良好的平稳性和均匀度。

由以上描述可知，本发明的一种采用双对称收缩段供气的高压圆盘止推气体轴 承，不同于采用锐缘供气孔的传统结构静压气体轴承，它克服了供气压力的限制。在高供气 压力(大于1MPa)和大气膜间隙(大于100μm)条件下，利用为轴承供气的双对称收缩段之专 门设计的型面，实现气流的平稳过渡，抑制了拐角处分离流的发生或发展，使得气流在进入 气膜间隙时具有良好的平稳性和均匀度，并使气流在气体润滑膜内进一步加速为气膜出口 处的超音速气流，利用超音速流动的优点，即下游低压扰动不会对上游压力分布造成影响， 使气膜间隙内部流场的压力不再受到环境低压的影响，可随供气压力的提高而增大。当供 气压力超过某一特定值后，轴承的承载能力将随着供气压力的提高而线性增大。

图5a和图6的对比说明：在大气膜间隙(大于100μm)条件下，当供气压力小于 0.25MPa时，采用锐缘供气孔的传统静压圆盘止推气体轴承的承载能力，会随着供气压力的 提高而增大，但是供气压力超过0.25MPa后，承载能力会大幅降低，其工作性能受到了供气 压力的限制。同样在大气膜间隙(大于100μm)条件下工作，采用双对称收缩段供气的高压圆 盘止推气体轴承的承载能力会随着供气压力的提高而线性增大，消除了供气压力的限制， 并且在高供气压力条件下，随着供气压力的不断提高(如提高至3～4MPa)，轴承的承载能力 可以保持良好的增长幅度。

图5b和图6的对比说明：以供气压力等于1Mpa为例，采用双对称收缩段供气的高压 圆盘止推气体轴承在大气膜间隙(h＝250μm)条件下工作时，承载力W可以达到685N，并且随 着气膜间隙进一步减小，轴承的承载力将会增大；而采用锐缘供气孔的传统静压圆盘止推 气体轴承的最大承载力W约为270N(供气压力P₀＝1.3MPa，小气膜间隙h＝38μm条件下实 现)。这说明采用双对称收缩段供气的高压圆盘止推气体轴承的承载能力远大于传统静压 圆盘止推气体轴承。

由以上对比可知：采用双对称收缩段供气的高压圆盘止推气体轴承在高供气压力 (1Mpa)及大气膜间隙(100μm)条件下，相比于采用锐缘供气孔的传统静压圆盘止推气体轴 承，其承载能力得到了极大的提升，这种轴承克服了传统静压圆盘止推气体轴承承载能力 低，受限于供气压力的缺点，适合在高压重载场合下工作。

由于Y.Miyake设计的实验轴承，在供气压力大于0.8MPa时，供气收缩段出现严重 的流动分离，导致作者没有给出大于0.8MPa的实验结果，所以无法比较本发明的轴承与 Y.Miyake设计的实验轴承在更高供气压力下的承载性能。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技 术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修 改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。