一種采用雙對(duì)稱(chēng)收縮段供氣的高壓圓盤(pán)止推氣體軸承及設(shè)計(jì)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設(shè)及高供氣壓力下的靜壓氣體軸承，具體來(lái)說(shuō)設(shè)及一種采用雙對(duì)稱(chēng)收縮段 供氣的高壓圓盤(pán)止推氣體軸承及設(shè)計(jì)方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 靜壓氣體軸承是一種W氣體作為潤(rùn)滑劑的軸承，其原理為氣體在外部壓力的作用 下形成潤(rùn)滑薄膜，支承外界載荷。氣體潤(rùn)滑薄膜具有均化效應(yīng)，軸承具有旋轉(zhuǎn)精度高、摩擦 系數(shù)低、定位精度高、摩擦磨損極小、使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)。但傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的靜壓氣體軸承同時(shí) 也存在承載力小、剛度低的缺點(diǎn)，使其僅用于輕載精密支承，然而隨著現(xiàn)代尖端工業(yè)技術(shù)的 發(fā)展，迫切需要開(kāi)發(fā)重載氣體潤(rùn)滑軸承。
[0003] Y.Miyake等人在論文('An Experimental Study on Externally Pressurized Supersonic Gas Thrust Bearing, Transact ions of the ASME, 1985"中提出了高壓重載 氣體潤(rùn)滑的思想，讓氣體W音速或超音速流出氣膜間隙，利用超音速流動(dòng)的特性，即：下游 低壓擾動(dòng)不會(huì)影響上游的壓力分布，使得氣膜間隙內(nèi)壓力不再受到下游環(huán)境低壓的影響， 并在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了一種圓盤(pán)止推氣體軸承實(shí)驗(yàn)裝置。實(shí)驗(yàn)軸承上、下工作圓盤(pán)的整個(gè)端 面皆為曲面，分別具有不同的曲面型線，按一維氣體動(dòng)力學(xué)理論設(shè)計(jì)的供氣收縮段設(shè)置在 上圓盤(pán)，下圓盤(pán)無(wú)供氣部件。作者僅給出了供氣壓力小于0.SMPa時(shí)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，沒(méi)有提供大 于0. SMPa的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。作者的解釋是:在供氣壓力大于0. SMPa時(shí)，該實(shí)驗(yàn)軸承供氣收縮段出 現(xiàn)嚴(yán)重的流動(dòng)分離，產(chǎn)生了復(fù)雜的流動(dòng)結(jié)構(gòu)，超出其理論模型的預(yù)測(cè)范圍。
[0004] 申請(qǐng)?zhí)枮?007200107771、名稱(chēng)為一種曲面漸擴(kuò)式進(jìn)氣靜壓氣浮止推軸承的實(shí)用 新型專(zhuān)利，提出了一種多供氣孔圓盤(pán)止推氣體軸承，在上工作圓盤(pán)表面開(kāi)設(shè)單排或多排供 氣孔，每個(gè)供氣孔下游連接曲面漸擴(kuò)混合腔；下工作圓盤(pán)表面不開(kāi)孔，是光整平面。運(yùn)種軸 承相比于采用銳緣供氣孔的傳統(tǒng)靜壓圓盤(pán)止推氣體軸承，其承載能力提高了約10%~ 30%。
[000引因此，現(xiàn)有技術(shù)中缺乏專(zhuān)口的方法來(lái)設(shè)計(jì)能較好抑制拐角流動(dòng)分離的氣體軸承供 氣收縮段，使收縮段入口的軸向低速來(lái)流平順地加速為收縮段出口處的徑向亞音速均勻氣 流，同時(shí)不產(chǎn)生嚴(yán)重的流動(dòng)分離，并使氣膜入口處的徑向亞音速氣流在氣體潤(rùn)滑膜內(nèi)進(jìn)一 步加速為氣膜出口處的超音速氣流，從而使軸承的承載能力可W隨供氣壓力的提高而線性 增大；已知技術(shù)中的曲面漸擴(kuò)式進(jìn)氣靜壓止推氣體軸承，利用供氣孔與氣膜間隙之間的曲 面漸擴(kuò)混合腔來(lái)實(shí)現(xiàn)流場(chǎng)的過(guò)渡，減小流道的壓力損失，但沒(méi)有給出是否能在氣膜出口處 實(shí)現(xiàn)超音速出流，其對(duì)軸承承載能力的提高幅度不夠理想。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有技術(shù)存在的不足，提供一種采用雙對(duì)稱(chēng)收縮段供氣的高 壓圓盤(pán)止推氣體軸承及設(shè)計(jì)方法，使收縮段入口的軸向低速來(lái)流平順地加速為收縮段出口 處的徑向亞音速均勻氣流，同時(shí)不產(chǎn)生嚴(yán)重的流動(dòng)分離，并使該氣流在氣膜出口處進(jìn)一步 加速至超音速。當(dāng)供氣壓力超過(guò)某一特定值后，運(yùn)種軸承的承載能力可W隨著供氣壓力的 提高而線性增大，適合在高壓、重載、大間隙工況下工作。
[0007] 本發(fā)明一種采用雙對(duì)稱(chēng)收縮段供氣的高壓圓盤(pán)止推氣體軸承，包括平行設(shè)置的上 工作圓盤(pán)1和下工作圓盤(pán)8,上工作圓盤(pán)1和下工作圓盤(pán)8之間構(gòu)成氣體潤(rùn)滑膜9,上工作圓盤(pán) 1中屯、設(shè)置有供氣部件2,供氣部件2還與上游穩(wěn)壓腔相連接;供氣部件2中屯、開(kāi)設(shè)有供氣孔 3,用于引入氣流;供氣孔3下游設(shè)有曲面造型的雙對(duì)稱(chēng)收縮段4,用于將軸向低速來(lái)流平順 地加速為徑向亞音速氣流；
[0008] 下工作圓盤(pán)8上設(shè)置有與上工作圓盤(pán)1上下對(duì)稱(chēng)的供氣部件7、供氣孔6和收縮段5。
[0009] 上工作圓盤(pán)1和下工作圓盤(pán)8同軸設(shè)置，W旋轉(zhuǎn)軸線為軸屯、。
[0010] 所述供氣部件2與上工作圓盤(pán)1通過(guò)螺釘相連，供氣部件7與下工作圓盤(pán)8通過(guò)螺釘 相連。
[0011] 本發(fā)明采用雙對(duì)稱(chēng)收縮段供氣的高壓圓盤(pán)止推氣體軸承的設(shè)計(jì)方法，包括如下步 驟：
[001引1、已知工作圓盤(pán)的半徑心收縮段的出口半徑14,收縮段的出口高度l3，l3等于氣 膜厚度h的一半;收縮段出口半徑與工作圓盤(pán)半徑之比以處4=1/3,設(shè)高度方向的特征參數(shù) 為九半徑方向的特征參數(shù)為r%取r*= ：U，收縮段的無(wú)量綱出口尺寸為：Z出口 = Wz^r出口 = 1;高度方向與半徑方向的特征參數(shù)比z7r巧X8~10;
[0013]收縮段型線的無(wú)量綱曲線方程由式(1)確定：
[001引式中，無(wú)量綱半徑r =巧掠/r%無(wú)量綱高度Z = Z剪示/z%其中Z剪示為型線上各點(diǎn)在Z方 向上的實(shí)際高度，r實(shí)際為型線上各點(diǎn)在r方向上的實(shí)際半徑；a為指定常數(shù)，取值范圍是 0.0006~0.0015;
[0016] 2、型線入口無(wú)量綱高度ZW根據(jù)沿Z軸速度分量U(r = 0)的大小與無(wú)量綱高度Z的 關(guān)系曲線來(lái)確定;關(guān)系曲線由式(2)確定：
[0020] 式中，fo是與無(wú)量綱半徑r相關(guān)的參量，fi是與fo相關(guān)的參量;fV、f/分別是fo、fi 的一階導(dǎo)數(shù);fo"是fo的二階導(dǎo)數(shù);實(shí)際工況下，氣流沿著Z軸方向流入收縮段，且入口處速度 較低，型線入口無(wú)量綱高度ZW = IizV^的取值范圍是0.03~0.035;通過(guò)收縮段型線的曲線 方程(1)確定型線入口的無(wú)量綱半徑rw = b/r^
[0021 ]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果在于：
[0022] 1、由于上下兩個(gè)供氣部件形狀結(jié)構(gòu)不僅具有軸對(duì)稱(chēng)形式，同時(shí)關(guān)于氣膜間隙也完 全對(duì)稱(chēng)，因此稱(chēng)作采用雙對(duì)稱(chēng)收縮段供氣，在大氣膜間隙（大于lOOwn)條件下，運(yùn)種結(jié)構(gòu)可 W得到一種受邊界層干擾較小的氣膜內(nèi)部流場(chǎng)。
[0023] 2、在高供氣壓力（IMPaW上)和大氣膜間隙（大于100皿)條件下，通過(guò)對(duì)收縮段曲 面型線進(jìn)行專(zhuān)口設(shè)計(jì)，使得該軸承流道內(nèi)的流場(chǎng)結(jié)構(gòu)得到改善，氣膜入口處的流場(chǎng)具有良 好的平穩(wěn)性和均勻度，避免了嚴(yán)重的流動(dòng)分離。
[0024] 3、由于適合在高供氣壓力條件下工作，該軸承的承載能力相比于采用銳緣供氣孔 的傳統(tǒng)靜壓圓盤(pán)止推氣體軸承會(huì)得到大幅度提升，并且承載能力可W隨供氣壓力的提高而 線性增大。
【附圖說(shuō)明】
[0025] 圖1為本發(fā)明的整體結(jié)構(gòu)示意圖；
[0026] 圖2為圖1的A-A向剖視圖；
[0027] 圖3為本發(fā)明止推氣體軸承的二維坐標(biāo)系統(tǒng)示意圖；
[0028] 圖4為收縮段中氣流沿Z軸的軸向速度分量U(r = 0)的大小與無(wú)量綱高度Z的關(guān)系 曲線圖；
[0029] 圖5a為本發(fā)明采用雙對(duì)稱(chēng)收縮段供氣的高壓圓盤(pán)止推氣體軸承的承載力W與無(wú)量 綱供氣壓力Po/Pa的關(guān)系曲線圖；圖中，Po為供氣壓力，Pa為環(huán)境大氣壓;軸承的幾何參數(shù)是： 工作圓盤(pán)半徑r4等于30mm，雙對(duì)稱(chēng)收縮段出口半徑U等于10mm，收縮段入口半徑b等于 1.8mm，收縮段入口高度h等于2.7mm;軸承的工作參數(shù)是：氣膜間隙h分別等于0.15mm、 0.20mm、0.25mm;
[0030] 圖化為本發(fā)明采用雙對(duì)稱(chēng)收縮段供氣的高壓圓盤(pán)止推氣體軸承的承載力W與氣膜 間隙h的關(guān)系曲線圖，軸承的幾何參數(shù)同圖5曰，軸承的工作參數(shù)是：供氣壓力Po分別等于 lMpa、l.5Mpa、2Mpa;
[0031] 圖6為采用銳緣供氣孔的傳統(tǒng)靜壓圓盤(pán)止推氣體軸承的承載力W與無(wú)量綱供氣壓 力Po/PaW及氣膜間隙h的關(guān)系曲線圖，軸承的工作參數(shù)是:工作圓盤(pán)半徑r4等于30mm，供氣 壓力P日低于1. 3Mpa。
[0032] 圖中，1為上工作圓盤(pán)，2為供氣部件，3為供氣孔，4、5為收縮段，6為供氣孔，7為供 氣部件，8為下工作圓盤(pán)，9為氣體潤(rùn)滑膜。
【具體實(shí)施方式】
[0033] 下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步說(shuō)明。
[0034] 參見(jiàn)圖1、圖2,示出了一種采用雙對(duì)稱(chēng)收縮段供氣的高壓圓盤(pán)止推氣體軸承，其中 包括：
[0035] 供氣孔3、6,分別開(kāi)設(shè)在供氣部件2、7的中屯、位置，用于引入穩(wěn)壓腔中的高壓氣體， 為其進(jìn)入具有特定曲面造型的收縮段4、5做好準(zhǔn)備。收縮段4、5不僅單獨(dú)地關(guān)于旋轉(zhuǎn)軸線0 形成軸對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)，而且兩者的形狀結(jié)構(gòu)關(guān)于氣膜間隙完全對(duì)稱(chēng)，因此稱(chēng)為采用雙對(duì)稱(chēng)收縮 段供氣。
[0036] 兩個(gè)供氣部件2、7用于連接上游穩(wěn)壓腔（圖中沒(méi)有示出）。為了滿(mǎn)足不同工作條件 對(duì)軸承部件進(jìn)行調(diào)整的需求，在工作圓盤(pán)和供氣部件之間設(shè)計(jì)了可拆卸的螺釘聯(lián)接。供氣 部件