基于不同加工工藝的微孔節(jié)流空氣靜壓軸承的特性研究

2024年4月第52卷第7期Vol.52No.7(7):123-128.Citeas:YUHechun,KOUXinjun,HOUWeijie,etal.Studyonthecharacteristicsofmicro-holedifferentprocessingmethods[J].MachineTool&Hydraulics,2024,52((1.中原工學(xué)院機(jī)電學(xué)院，河南鄭州450007;2.天津航天機(jī)電設(shè)備研究所，天津300301;3.天津市微低重力環(huán)境模擬技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津300301)摘要：隨著超精密加工技術(shù)和地面微低重力仿真的發(fā)展，相關(guān)產(chǎn)業(yè)對(duì)空氣靜壓軸承的性能要求越來(lái)越高。由于傳統(tǒng)的孔式節(jié)流器其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)不能完全滿足實(shí)際使用的需要，節(jié)流孔直徑與氣膜間隙同一數(shù)量級(jí)的微孔節(jié)流空氣靜壓軸承因其良好的剛度和承載特性，越來(lái)越受到關(guān)注。但在微孔節(jié)流器的發(fā)展過(guò)程中，微孔的加工工藝卻限制了其推廣應(yīng)用。針對(duì)目前常用的三類微孔加工工藝，進(jìn)行了理論仿真研究，通過(guò)建立不同加工工藝軸承仿真模型，運(yùn)用雙向流固耦合仿真方法，對(duì)比分析了基于不同加工工藝的微孔節(jié)流空氣靜壓軸承的動(dòng)靜態(tài)特性。研究結(jié)果表明：錐孔類軸承承載性能優(yōu)于其他兩類，但耗氣量大且在小間隙時(shí)剛度較差；薄壁直孔類軸承承載性能稍遜，但在大間隙下軸承剛度較佳；嵌套類軸承承載性能較關(guān)鍵詞：空氣靜壓軸承；超精密加工；微低重力仿真；微孔節(jié)流；YUHechun1,KOUXinjun1,2,HOUWeijie2,3,LIUHaiteng2,3,LIGuangping2,3,ZHANG(1.SchoolofMechanical&ElectricalEngineering,ZhongyuanUniversityofTechnology,ZhengzhouHenan450007,China;2.TianjinInstituteofAerospaceMechanicalandElectricalEquipmen3.TianjinKeyLaboratoryofMicrogravityEnvironmentSimulationTechnology,Tianjinrequirementsforaerostaticbearingsaregettintorscannotfullymeettheneedsoftheactualuse,themicro-holethrottlingaerostaticbearingrestrictorswiththesameorderofmagni-tudeastheairmembranegaphasatdevelopmentofmicro-holethrottleaerostaticbearing,theprocessineachprocessandemployingbidirectionalfluid-solidcouplingsimulationmethodrestrictoraerostaticbearingsproducedbytheseprocesseswerecomparedandanalyzed.Theresultsindicatethattaperedholebeaclearances;thin-walledstraight-holebearingsdemonstratemarginallylowerload-caryingcapacity,yettheymainhigherclearances;mosaicbearings,whileexhibitinglessoptimalperformaKeywords:aerostaticbearing;ultra-precisionmachining;micro-lowgravitysim基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目(51875586)作者簡(jiǎn)介：于賀春(1982一),男，博士，教授，主要研究方向?yàn)闅怏w潤(rùn)滑技術(shù)的研究與應(yīng)用。E-mail:yuhechun1106@質(zhì)節(jié)流、狹縫節(jié)流、環(huán)面節(jié)流以及毛細(xì)管節(jié)流等1。受材料特性限制且容易發(fā)生堵塞2-3]。針對(duì)上述不流器為通孔結(jié)構(gòu)，節(jié)流孔直徑在0.1mm以下，出口此軸承承載力大和穩(wěn)定性較好4。隨著研究的深入和結(jié)合的方法得到直徑小于0.05mm節(jié)流孔的流量系數(shù)，并求解得到氣體止推軸承的承載力、剛度和阻尼系數(shù)等特性，結(jié)果表明：適當(dāng)減小節(jié)流孔直徑和增加節(jié)流孔數(shù)量對(duì)軸承剛度有明顯影響。NISHIO等6使用微鉆孔工藝在黃銅軸承上加工了直徑為0.03mm相對(duì)于小孔節(jié)流有較大的剛度和阻尼系數(shù)。BELFORTE等7使用激光打孔技術(shù)在陽(yáng)極硬化的鋁板加工出直徑在0.05~0.1mm之間的節(jié)流孔，實(shí)驗(yàn)結(jié)同樣適用于微孔。德國(guó)Aerolas公司使用激光鉆孔技術(shù)制造了0.02~0.06mm的錐形微孔，通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證公司認(rèn)為錐型微孔空氣軸承相較于普通的氣體軸承具節(jié)流器，設(shè)計(jì)了微孔直徑為0.1mm的止研究了軸承的動(dòng)靜態(tài)特性。易法兵"使用激光打孔的微孔并進(jìn)行了對(duì)比分析，驗(yàn)證了相關(guān)理論計(jì)算結(jié)果。羅舒元2在0.5mm厚的鋼板上使用紫外混合納秒激光打孔技術(shù)加工直徑為0.05mm的微孔，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)分析了不同微孔數(shù)目下軸承承載力隨壓力的1軸承模型的建立1.1基于不同加工工藝的軸承結(jié)構(gòu)于微孔止推軸承具有以下特征：微孔的直徑在0.1mm以下；承載面會(huì)受力而變形，微孔深徑比不宜過(guò)差；基體鑲嵌采用模具燒結(jié)加工微孔插芯，微孔深徑比大、精度較高，適用于大批量加工。為了便三類軸承，下文中使用A類軸承代指錐形孔軸承、B類軸承代指薄壁直孔軸承、C類軸承代指基體嵌套類軸承。不同加工工藝空氣靜壓軸承如圖1所示。Fig.1Schematicofbearingswithdifferentprocessingtechnologies:(a)taperedholeclass(typeA);(b)thin-walled錐形孔類直接在板上打孔，孔為上小下大的錐mm。薄壁直孔類采用激光或微鉆頭在薄板上打出微孔，再將薄板粘接或焊接在軸承基體上，壁厚約為0.5mm,微孔孔徑0.06mm;基體鑲嵌加工軸承采用制造模具燒結(jié)加工微孔插芯，微孔孔徑為0.06~0.1mm,軸承基體鉆小孔，在軸承基體上通過(guò)過(guò)盈配合、粘接等方式裝配嵌入體。軸承相關(guān)結(jié)構(gòu)如圖2所示，節(jié)流孔分布圓半徑R?、R?、R?/mmC類軸承節(jié)流孔深度H?/mm2錐型孔進(jìn)氣端直徑D?/μm節(jié)流孔直徑D?、D?、D?/μm壓軸承為24孔止推軸承，其余參數(shù)如表1所示。使型和層流模型。流動(dòng)模型可由公式(1)計(jì)算的局部由公式(1)可以計(jì)算得出流體局部區(qū)域的雷諾的傳遞，基本耦合方程如公式(3)一(6)。2仿真計(jì)算2.1邊界條件的設(shè)置(1)流經(jīng)系統(tǒng)的空氣是一種理想氣體，過(guò)程絕(3)所有壁面都是理想光滑平面，不考慮形狀126·機(jī)床與液壓第52卷NY如圖6所示。圖4操作步驟Fig.4Operation3.1靜態(tài)特性分析真分析。將微孔軸承進(jìn)氣口壓力分別設(shè)置為0.3、0.4、0.5MPa,對(duì)比不同加工工藝微孔軸承的承載軸承的耗氣量基本相同且均有上升趨勢(shì)；在8～14Q/(10?Q/(10?kg.s)0C型承載力圖5軸承承載力和耗氣量隨氣膜厚度的變化Fig.5Bearingcapacityandairconsumptionchangewiththethicknesso(b)supplypressureis0.4MPa;(c)supplypresh/μmh/h/μmh/圖6軸承剛度隨氣膜厚度的變化Fig.6Bearingstiffnesschangeswithgasfilmthickness:(a)supplypressis0.4MPa;(c)supplypress第7期于賀春等：基于不同加工工藝的微孔節(jié)流空氣靜壓軸承的特性研究·127·始承載力為靜態(tài)下軸承承載力，進(jìn)氣孔壓力設(shè)置與靜如圖7所示。圖7軸承動(dòng)態(tài)響應(yīng)位移-時(shí)間曲線Fig.7Bearingdynamicallyrespondstothe承載力小于載荷，軸承氣膜厚度減??；當(dāng)t=t,時(shí)，t=t時(shí)，軸承振蕩速度降低為0,軸承氣膜厚度達(dá)到氣膜厚度變化峰值越來(lái)越小直至達(dá)到穩(wěn)態(tài)；當(dāng)t>t。t/mst/ms圖8不同供氣壓力軸承氣膜厚度變化曲線Fig.8Changecurvesofairfilmthicknessofbearingswithdifferentairsupplypressures:(a)typeAbearing;C類軸承氣膜變化量最大。表2穩(wěn)態(tài)時(shí)間與穩(wěn)態(tài)氣膜厚度變化量穩(wěn)態(tài)時(shí)間t,/ms穩(wěn)態(tài)氣膜變化量s/μm氣膜厚度變化量。隨著供氣壓力的增加，三類軸承達(dá)短，C類軸承所需時(shí)間最長(zhǎng)，B類軸承所需時(shí)間介于兩者之間；隨著供氣壓力的增加，三類軸承峰值氣膜厚度變化量s。呈線性遞減，其中C類軸承氣膜厚度變化量最大，A類軸承和B類軸承氣膜厚度變化量峰值時(shí)間t/ms峰值氣膜厚度量s/μm圖9為最大不同供氣壓力下軸承位移最大超調(diào)量在供氣壓力為0.5MPa時(shí)達(dá)到最大值，為65.2%;A類軸承位移最大超調(diào)量M,最小，在供氣壓力為0.52.2%,小于B類軸承6.7%的變化量和C類軸承6%的變化量。本文作者通過(guò)分析微孔節(jié)流空氣靜壓軸承的加工工藝，總結(jié)了目前常用的微孔加工工藝，根據(jù)不同加工工藝的差異建立了三類不同加工工藝的微孔軸承模型，通過(guò)仿真計(jì)算，得出以下結(jié)論：(1)通過(guò)對(duì)不同加工工藝軸承的靜態(tài)仿真分析發(fā)現(xiàn)：在小間隙氣膜厚度時(shí)，薄壁直孔類軸承承載力最大、錐形孔類軸承剛度最大、基體嵌套類軸承耗氣量最?。辉诖箝g隙氣膜厚度時(shí)，錐形孔類軸承承載力最大、薄壁直孔類軸承剛度最大、基體嵌套類軸承耗氣量最小。(2)通過(guò)對(duì)不同加工工藝軸承的動(dòng)態(tài)仿真分析發(fā)現(xiàn)：軸承系統(tǒng)受到階躍力作用后軸承氣膜厚度變化曲線為二階欠阻尼振動(dòng)曲線；隨著供氣壓力的增加軸承系統(tǒng)穩(wěn)定性降低；在一定的供氣壓力范圍內(nèi)，減小供氣壓力可降低軸承氣膜厚度變化最大超調(diào)量和穩(wěn)態(tài)時(shí)間，提高系統(tǒng)穩(wěn)定性；增大供氣壓力可降低系統(tǒng)峰值位移量和穩(wěn)態(tài)位移量。(3)錐形孔類軸承相較于其他兩類軸承具有優(yōu)良動(dòng)態(tài)性能，在動(dòng)態(tài)響應(yīng)中表現(xiàn)出較短的穩(wěn)定時(shí)間、較小的參考文獻(xiàn)ing:state-of-the-artandInternational,2019,135:1-17.aerostaticthrustbearings[Shock,2019,38(16):224-232.2018,46(13):130-133.bearingsbasedonfluent2018,46(13):130-133.2010,43(8):1353-1359.holes[J].TribologyInternational,2011,44(12):1790-Transactions,2013,56(2):169-177.[8]MUTHM,SLOTTAG.Piston/cylindercharacteristicsofnewtypemicro-orificerestrictorthrustaerostaticbearings[J].MachineTool&Hydr46(5):59-63.(下轉(zhuǎn)第133頁(yè))第7期周凱紅等：對(duì)置端曲面齒輪柱塞泵動(dòng)態(tài)特性仿真研究·133characteristicsofaxialpistonpumpslipperpair[J].JournalofAerospacePower,2016,31(8):1913-1920.processofintenselywearworkingcondition[J].ChineseHydraulics&Pneumatics,2017(2):5-10.過(guò)程承載特性的影響[J].潤(rùn)滑與密封，2018,43(11):loadonload-bearingcharacteristicsofslipperpairinwearprocess[J].LubricationEngineering,2018,43(11):12-18.CHENFF,WUXF,ZHAPY,etal.Numericalsimulationof[J].MachineTool&Hydraulics,2022,50(4):127-134.[9]LIAOX,CHENYX.Noticeofretraction:resewearlifeofslipperinaero-hydraulicpumpbchardwearmodelandliquidfrictionwork[Cingsof2013InternationalConferenceonQuality,Reliabili-ty,Risk,Maintenance,andSafetyEngineering.Chengdu:IEEE,2013:930-934.磨損的影響因素分析[J].北京航空航天大學(xué)學(xué)報(bào)，2015,41(3):405-410.onwearofhydraulicaxialpistonpump/slipperpairtics,2015,41(3):405-410.[11]SCHUHLERG,JOURANIAmechanismsincontactsinvolvingslippersipumps:amulti-technicalanalysis[J].JournalofMateri-alsEngineeringandPerformance,2018,27(10):5395-wearperformanceofslipperpairinaxialpistonpump[J].MachineTool&Hydraulics,2022,50(1)nematicscharacteristicsofdoublecurve-facepump[J].TransactionsoftheChineseSocietyforAgricul-turalMachinery,2016,47(6):3LINC,WEIYQ,ZHAOXL,enewtypeofpi