供气压降下气体轴承-转子系统瞬态特性流固耦合分析.pdf

年 月第 卷 第 期润滑与密封 ：文献引用：郑少林，马文琦，孙培耕，等供气压降下气体轴承转子系统瞬态特性流固耦合分析润滑与密封，（）：，（）：基金项目：黑龙江省自然科学基金重点项目（）；中央高校基本科研业务费专项资金项目（）收稿日期：；修回日期：作者简介：郑少林（），男，硕士研究生，研究方向为气体轴承润滑。：。通信作者：马文琦（），女，工学博士，教授，研究方向为流体传动与控制、气体润滑与密封。：。供气压降下气体轴承转子系统瞬态特性流固耦合分析郑少林 马文琦 孙培耕 丁 一（大连海事大学船舶与海洋工程学院 辽宁大连）摘要：为研究供气压力波动对气体轴承转子系统瞬态特性的影响，采用一种流固耦合仿真与实验相结合的方法，对空载及加载下气体轴承转子系统在不同转速和供气压力下降时的转子下端偏移、轴心轨迹等变化规律进行了研究。结果表明：供气压力以斜坡形式下降时转子下端偏移理想轨迹的距离呈现波浪式变化，且工频条件下的轴心轨迹重复性变差；加载时供气压降前后转子下端偏移差值明显高于空载状态；供气压降前后转子下端偏移差值随着加载力和转速的增大而增大。关键词：流固耦合；气体轴承转子系统；供气压力下降；轴心轨迹中图分类号：（，）：，：；在高速高精密电主轴中，气体轴承转子系统在运行中经常会因为供气压力波动导致转子偏移量发生改变，使轴心轨迹漂移，影响工件的加工精度。在实际情况下供气压力波动主要原因是气源不足及管路泄漏，即使有稳压阀，依然存在漏压泄压的情况，因此研究供气压力下降对气体轴承转子系统瞬态特性的影响具有重要意义。郭俊等人根据气体轴承转子系统的耦合调频原理，发现改变轴承供气压力、转子转速等方式可以有效改善系统固有频率和低频涡动之间的耦合关系，并分析了轴承供气压力对转子振动性能的影响。等研究了半球螺旋槽混合气体轴承在不同转速和供气压力下瞬态扰动作用下的气膜力和气膜间隙的分布，发现轴承的转速及供气压力对气膜的动态特性有重要影响。李子君等采用数值迭代法分析了不同转速、压力下的静压气体轴承刚度、承载力及轴系临界转速等动态特性。唐长亮等针对高速旋转的涡轮研究了供气压力对轴系动力学行为的影响。通过流固耦合方法，等分析了转子的动态不平衡载荷对其轴心轨迹位置的影响。杨文勇建立了空气静压电主轴流固耦合模型，将实验与仿真结合，获得了不同转速和载荷作用下气体轴承的气膜承载力和气膜动态刚度非线性变化。等采用有限体积法分析了流固耦合作用下气膜间隙在不同负载下的非线性振动特性。等对静压气体轴承进行了流固耦合仿真，分析了不同载荷下的轴心轨迹和流场压力分布等特性的变化规律。熊友平针对滑动轴承转子系统，通过实验分析了主轴在加载状态下的轴心轨迹。王鹏朝基于流固耦合方法，分析了可倾瓦轴承转子系统在不同供油压力下的转子轴心轨迹和油膜最小厚度。王斌对动压气体轴承转子系统进行流固耦合仿真，分析了转子质量对轴心轨迹的影响。于贺春等对小孔节流静压气体止推轴承进行流固耦合仿真，得出在加载状态下改变供气压力会影响气膜厚度振动幅度。大多数学者在研究轴承气膜流场与转子的相互耦合作用时忽略了供气压力波动对转子下端轨迹的影响，而不考虑到这一实际工况会导致加工质量变差。本文作者针对气体轴承转子系统进行非接触加载实验并采用双向流固耦合数值仿真进行对比分析，揭示不同转速和斜坡供气压力下降工况下转子下端偏移、轴心轨迹等瞬态特性变化规律。斜坡供气压降下气体轴承转子系统瞬态响应仿真分析 系统仿真模型气体轴承转子系统结构如图 所示，和 分别为上、下径向轴承气膜承载力，在负载 及供气压降工况下，转子发生倾斜，并与气膜流场相互耦合，影响系统的瞬态响应特性。因此对其进行双向流固耦合分析，设置转子和气膜流场的接触面为流固耦合数据传输面，气膜厚度为 ，选用 湍流模型。流固耦合是通过流、固体之间的耦合面传递数据，并通过流体、固体及耦合控制方程的解算，获得流场和固体场特性。（）流体控制方程边界条件（）式中：为流体速度；为固体壁面对应处的速度。（）固体控制方程 （）式中：为质量矩阵；为阻尼矩阵；为刚度矩阵；为位移；为固体受到的应力。（）耦合控制方程（）（）（）（）式中：为热流量；为温度。（）湍流模型（）（）（）（）（）（）式中：、为、生成项；、为、耗散项；为交叉扩散项；为有效扩散系数；为湍动能；为湍流特殊耗散；为湍流速度平均量。图 气体轴承转子系统结构 气体轴承转子系统空载仿真分析当实验系统供气压力 在 时，气膜具有较好的承载力和刚度，且供气压力 时，系统会自动补压，所以设定 在 内以斜坡形式由 分别单调递减至 和 。在高转速 下，设定 稳压时转子下端点 的轨迹为理想 位置，则在该转速下发生斜坡供气压降时转子下端轨迹与理想 位置轨迹的偏差距离 如图 所示。可以看出，不同斜坡压降均会对系统的稳定性造成影响，均会使转子下端偏移增大；压降范围越大，偏差距离 越大，但是在供气压力单调递减的过程中，偏差距离 均呈现波浪式变化，主要原因是由于节流孔处供气压降并不会实时反映在气膜内部，而是存在一定的滞后性；在离心润滑与密封第 卷惯性力作用下转子产生瞬时位移超调，而气膜可压缩性又造成转子位移回弹，从而呈现波浪式变化。综上所述，不同供气压降范围下偏差距离 具有相同的变化规律，所以后续仿真与实验均以 压力范围为研究对象。不同转速下转子下端的轨迹如图 所示，点 和 为斜坡供气压降初始和结束时刻轴心稳定时的转子下端位置。在转速从 增大到 的过程中，和 之间的距离由 增大到了 ，说明压降前后转子下端偏移差值随着转速升高而增大，这是因为回转离心力变大，压力波动瞬间转子的偏移量在大离心力作用下将会增大。可见高转速下系统抵抗压力变化的能力较差。图 不同斜坡压降下偏差距离随时间变化关系 图 斜坡供气压降下转子下端轨迹变化 ：（）；（）；（）；（）气体轴承转子系统加载仿真分析不同转速下，分别给转子施加、的稳态载荷，发生斜坡供气压降前后的转子下端偏移差值 如图 所示。在不同转速下，转子下端在压降前后发生的偏移差值均随负载的增大而增大，这是因为供气压力下降后，轴承刚度降低，增大负载，转子将发生更大的偏移。此外以 为例，图 （）中在空载时压降前后 为 ，而图 中在 负载下 为 ，可见加载时压降前后转子下端偏移差值明显高于空载状态。图 转子下端偏移差值随加载力变化 、稳态加载时，不同转速下发生压降前后的转子下端偏移差值 如图 所示。加载与图 空载下的变化趋势一致，都是随着转速的上升，压降前后转子下端偏移差值增加，这是因为转速增高，转子离心力增强，加载时，高转速下的压降现象更容易导致转子偏移变化。可见转子在实际运行过程中发生供气压降会导致工件的加工质量变差。图 转子下端偏移差值随转速变化 年第 期郑少林等：供气压降下气体轴承转子系统瞬态特性流固耦合分析 斜坡供气压降下气体轴承转子系统瞬态响应实验验证 实验台介绍气体轴承转子系统测试实验台如图 所示。基于 软 件 建 立 斜 坡 供 气 压 降 信 号，配 合 系列电气比例阀实现 斜坡供气压降工况。图 气体轴承转子系统实验台结构 气体轴承转子系统空载及加载实验空载实验下发生斜坡供气压降时转子下端轨迹与理想 位置轨迹的偏差距离 如图 所示。随着供气压力的下降，偏差距离 呈现波浪式变化，与仿真结果一致，但仿真计算使用理想化的工况并对系统进行了部分简化，因此实验和仿真在具体的数值上存在部分误差。图 偏差距离和供气压力随时间变化实验测试曲线 图 所示为气体轴承转子系统在 时 稳压和发生 斜坡供气压降下的转子下端轴心轨迹。稳压时轴心轨迹波动范围为 ，而在供气压力下降的过程中，轴心轨迹波动范围增大到 ，且轴心轨迹的重复性变差，此时转子稳定性较差，这与仿真结果一致，是因为供气压力降低，轴承内气膜承载力和刚度下降导致转子轴心轨迹偏移增大。图 稳压和斜坡供气压降下转子下端轴心轨迹 ：（）；（）分别给转子施加不同的稳态载荷，在 下发生斜坡供气压降前后的转子下端偏移差值如图 所示。随着加载力的不断增大，供气压降前后工频条件下的转子下端偏移差值不断增大，系统抵抗压力降低的能力随之减小，与仿真结果相吻合。图 转子下端偏移差值随加载力变化实验测试曲线 结论（）在 斜坡供气压降下，转子轴心轨迹波动范围变大，增幅达到，且重复性变差。由于离心作用力和气膜可压缩性，在供气压力下降过程中，转子下端轨迹与理想 位置轨迹的偏差距离 出现波浪式变化。（）供气压力降低会导致轴承内气膜承载力和润滑与密封第 卷刚度下降，导致转子下端偏移差值增大。在相同转速下加载状态下的转子下端偏移差值明显大于空载状态下，而增大负载，转子下端偏移差值也随之增大。（）无论在空载还是加载状态下，压降前后转子下端偏移差值都随着转速的上升而增加。即高转速下系统抵抗压力变化的能力较差。参考文献 郭俊，刘宝玉，杨金福，等气体轴承转子系统低频耦合涡动特性控制的试验研究润滑与密封，（）：，（）：郭俊轴承供气压力对转子振动性能影响的试验研究抚顺：辽宁石油化工大学，：，（）：李子君，韩东江，杨金福，等气体轴承特性模拟及实验验证润滑与密封，（）：，（）：唐长亮，宿博康，杨金福基础减振和供气压力对透平制冷轴系振动特性的影响北京信息科技大学学报（自然科学版），（）：，（）：，（）：杨文勇空气静压支承电主轴动态性能流固耦合分析与实验研究广州：广东工业大学，：，：，：，：熊友平基于小孔节流静压电主轴轴心轨迹的特性研究湘潭：湖南科技大学，：，王鹏朝基于流固耦合的可倾瓦轴承转子系统非线性振动分析吉林：东北电力大学，：，王斌动压气体轴承动力学计算与分析天津：天津大学，：，于贺春，贾硕，张国庆，等基于流固耦合的气体静压止推轴承动态特性研究液压与气动，（）：，（）：朱红钧 热流固耦合实战指南北京：人民邮电出版社，邱望标，郭天水，薛玉，等基于 湍流模型与遗传算法的高速电梯井道风口优化设计液压与气动，（）：，（）：年第 期郑少林等：供气压降下气体轴承转子系统瞬态特性流固耦合分析