金斯伯里推力轴承的空气润滑行为示范

文摘

为了理解空气金斯伯里推力轴承的润滑行为示范,实验和理论研究模拟金斯伯里给出了推力轴承。推力盘的运动和倾斜垫是由涡流传感器测量三个质量负载情况。一个简化的理论模型管理建立了推力盘的运动。灯灭绝的轴承成功地通过了考试和维护16 s的最大轮换时间。有效水动力膜厚度约5μm是集中在中部地区的工作表面平面度为0.010毫米。三个表面突起的不利影响最小化的摇摆运动垫倾斜。此外,约1/3的空气膜厚度是浪费是由于表面不规则性。然而,表面质量和偏差的要求适当放松通过中央旋转倾斜垫的设计。这种设计有利于薄膜润滑和微型燃气轮机是一个潜在的应用程序。

1。介绍

金斯伯里推力轴承示范代表一类倾斜垫气体止推轴承。金斯伯里使用的是公司的销售人员来演示一个完整的空气膜的存在。推力轴承是由一个磁盘有三个倾斜垫,使其在一个空气润滑条件当手工启动。推力盘可以连续旋转从几秒到几分钟没有接触。

轴承的设计和制造是旧的,没有先进的制造技术。特别,甚至可以使用砂纸磨其工作表面。然而,这种轴承下稳步经营不利的因素,如大型表面不规则性和较低的转速。维持有效的润滑是令人印象深刻的自适应能力和利用现代工业应用价值。气体在微型轴承,例如,可以学习轴承的设计。到目前为止,很少有研究轴承从实验和理论的角度来看。内部润滑条件和必要的机制尚不清楚。本文旨在(1)系统地研究这个轴承和详细展示其动态特征,(2)提供一个有效的空气膜厚度测量方法和倾斜的摇摆运动垫,和(3)讨论有争议的中央旋转倾斜垫的设计。

自从Hirn [1]1854年提出的想法使用天然气作为润滑,气体润滑技术已经发展了160多年。与石油轴承相比,气体轴承特别适用于高速、轻载纺锤波在精密机械(2,3]。他们的主要优势包括减少摩擦,高精度,长寿命。气体轴承的应用(4- - - - - -9)从传统的陀螺仪和加速度计已经扩展到宇宙飞船模拟器、工业测量、医疗设备和微型涡轮。气体润滑的发展,早期的研究集中在微米尺寸的测量气体的电影。的方法精确地捡起一个微米尺寸的空气膜厚度有关。金斯伯里[的开创性工作10),一个小细牙螺纹的螺钉是利用传感器来测量活塞和汽缸之间的距离在测试设备。气体润滑的可能性被首次实验验证。随着测试技术的发展、涡流传感器主要应用。动态变化的测量空气电影实现了。许多研究[11- - - - - -14从3]表明,膜厚度μ米到50μm是一个一般的工作间隙对大多数气体润滑设备。更重要的是,一个大型膜厚度需要动态加载减少接触的可能性。

得益于先进的加工技术,现代轴承可以最小化的表面平面度小于1μ米(15,16]。平面度的影响在电影的空气少。研究集中在提高承载力17- - - - - -20.]。金斯伯里推力轴承的演示中,然而,表面的质量由砂纸的磨削过程相对较低。这意味着一个不完美的润滑条件。表面接触的可能性增加,特别是当轴承运行在低转速;此外,轴承的偏差要求更加严格。在这项研究中,一个模拟金斯伯里推力轴承检测三个质量负载情况下的速度低于350 r / min。内部润滑条件和轴承的动态特性进行了研究。推力盘的轴向运动的摇摆运动垫测量倾斜。建立了一个简化的理论模型来解释操作行为的轴承。

2。装置

金斯伯里推力轴承模拟探索其操作行为,如图1。推力轴承元素由一个磁盘,三个倾斜垫,三个支撑螺栓,一个基地。推力盘灵活定位在三个倾斜垫,和底部中心轴插入绝缘轴颈轴承的基础。的倾斜垫被放置在槽点支持的基础和轴心的螺栓。这种安排使得垫更自由。此外,推力盘的表面和倾斜垫可以联系密切通过调整螺栓一个合适的高度。推力盘由铝直径100毫米。它的质量是0.15公斤,可以增加了添加额外的金属环表面上。倾斜垫是50度扇形不锈钢的内外直径35毫米和95毫米,分别。两部分的工作表面与2000 -地面光滑坚韧砂纸。

一个涡流传感器,传感器1,探针直径5毫米被放在推力盘的上面测量轴向位移,如图2。测量表面的直径扩大到20毫米后粘钢环。另一个涡流传感器,传感器2、倾斜垫之间的位置是固定在底座上。调查面临辅助钢面,结合斜垫(见图2 (b))。这种组合允许倾斜垫的摆动位移测量。推力盘的转速测量的光电传感器,传感器3。所有的测试数据记录在软件8.0 eZ-TOMAS推力盘时手工启动。

3所示。简化模型

力的分析并给出了推力盘和倾斜垫在图3。推力盘漂浮在空气膜,主要受空气膜力,空气电影摩擦力和重力。的角运动将被忽略。然后,推力盘的轴向运动是由 在哪里推力盘的质量,轴向位移,的轴向阻尼空气膜,是气膜力,推力盘的严重性。

倾斜垫波动对其主,主要受空气电影的力量,支持的力量,和重力。它的运动是由摆动 在哪里倾斜板的转动惯量,偏转角,是摇摆的空气阻尼的电影,气膜力的时刻,是重力的时刻。

气膜力可以更好的数值方法计算了由于有限的倾斜垫的大小。可压缩无量纲雷诺方程(方程(3)解决了有限差分法(FDM):

方程的参数(3)已见文献[21]。无量纲的厚度空气的电影必须确定。它的特点是空气膜中央厚度和旋角 ,表示在 在哪里 弧度(25度)的半张角倾斜垫, m表示倾斜垫的内半径,和 表示假设偏转角。离散化和迭代计划详细在文献[21]。气膜力计算

获得的结果解释的情况 μm和 r / min。空气膜厚度和压力分布呈现在图4。薄膜厚度的最大值和最小值出现在双方的倾斜垫在最外层的直径。主要的流体压力是集中在倾斜垫的中心。倾斜垫的边界压力保持在零。气膜力计算 N压力积分后执行。总空气薄膜力是单一空气膜的三倍力和等于推力盘的严重性。

4所示。结果与讨论

下的轴承测量推力盘质量为0.15公斤,0.30公斤,0.45公斤,分别。灯灭绝的轴承通过了考试在每个质量负荷情况。灯的行为在一个完整的测试过程提出了完全熄灭光闪烁,最后正常。闪烁意味着当地联系人出现在最后的测试。实验验证,推力盘之间形成一个完整的空气膜和倾斜垫。

图5(一个)说明了推力盘的轴向位移,这代表了中部空气膜厚度。初始位移观测是消极的,不符合实际情况。这主要是由于测试系统的算法或硬件问题,不能准确校准的起点。然而,消极的位移并不影响测试结果的有效性,因为所需的数据是位移不同。推力盘迅速浮动约5μ手工m一旦启动;然后,它逐渐下降,直到完全接触。最长时间是16 s根据0.15公斤的推力盘。运行时间取决于初始速度和表面条件。一旦扩展提供的抛光表面平滑,旋转时间会增加。磁盘的过程中下降,推力盘运动是伴随着波动产生的转动频率的测量表面(见图2(一个))。其旋转运动产生了谐波上下结合的轴向位移曲线。这个场景时更明显有更大的传感器探头和推力盘轴之间的偏差。这些波动是很难被完全移除基于当前测量方法。他们只是认为干扰和忽略。

两个假设都是关闭方程(1)从理论上计算空气膜厚度。转速设置为一个线性减少,符合实验结果(见图5 (c)),如下: 在哪里是初始转速,总运行时间,是时候了。旋角的倾斜垫被设置为一个固定值(斜垫运动将在稍后讨论)。基于这些假设,方程(1使用4)解决^th龙格-库塔方法。相应的初始条件和参数表中列出1。提供的解决方案过程流程图如图6。气膜力在每个时间步长更新根据雷诺方程的解决方案。有一个大的时间消耗在雷诺方程的解决方案在实际计算。为了克服这个问题,气膜力的雷诺方程是通过计算一系列预定的膜厚度和旋转速度,如图7(一)。中使用的气膜力方程(1在每个时间步)由两个相邻曲线的插值计算,有助于避免大的时间消耗。此外,这些曲线是通过安装一个指数的关系,以确保解决方案的平滑度(图7 (b))。

此外,最初的空气膜中央厚度 ,的一个初始参数方程(1),需要预定。总空气电影总是等于推力盘重力在操作过程。的价值计算使用的力平衡关系。此外,空气阻尼的电影被忽视由于疲软的影响。

空气膜厚度计算是基于假定旋转速度。从本质上讲,这是一个pseudotransient分析整个瞬态解决方案是由一系列的稳态解。pseudotransient分析是一个简化的理论模型,减少了计算成本和显示空气膜厚度的变化。实验之间的空气膜厚度(波动被忽视)和模型比较图8。为空气膜厚度是观察到的相同的趋势;然而,计算空气膜厚度测量的约2倍。空气膜厚度overpredicted是因为理论模型忽略了表面不规则性等副作用。推力盘的底部表面的平面度测量的坐标测量加工(CMM)的实际润滑(图的细节9(一个))。高度轮廓呈现在图9 (b)。中间半径的圆周区域高于区域。最大高度差大约是10μ米,这意味着表面平面度为0.010毫米。在这种情况下,有效的空气膜必须集中在中部地区,它占据了总数的2/3区域的表面。关于区域,巨大的差距阻碍了一代的有效负载容量。推力盘重力完全是由中间空气膜。因此,空气膜厚度已成为约1/3的理论空气膜厚度达到更高的负载容量。这导致空气在实际的润滑膜厚度小于模型。因此,动态性能是降低表面不规则性。

倾斜的摆动位移垫如图5 (b)。最初水平和倾斜垫突然摇摆旋转开始的时候。摇摆运动的三个质量负载情况下是相同的。这些波动的测量是由两个或三个高峰和重复在每一个旋转周期。峰值振幅大约是1μ米,这表明旋角约0.002°,计算了吗 在哪里 m表示半径2和定位传感器 弧度(50度)表示传感器2之间的角度和倾斜垫中心。

倾斜的摇摆运动垫可能是由于两个原因:中央枢轴点和表面不规则的设计。倾斜垫是由旋转设计集中有效地消除偏差。然而,这种设计一直在批评[22因为主应放置在压力的中心理论;否则,轴承会变得不稳定。总空气薄膜力总是出现在身边的小缺口,导致一个不平衡的时刻。倾斜垫可能摇摆频率。

然而,倾斜垫没有严格主集中在测试。顶部支撑螺栓的直径是2毫米,宽度的槽的底部倾斜垫是3毫米。倾斜垫可以主见到合适的位置,使空气薄膜力指向主消除不平衡的时刻。实验结果表明,摇摆频率与转动频率有关。因此,表面不均匀性的主要原因。

根据平面度测量,表面受到三个突起高度为1.1μ3.1米,μ3.3米,μm,分别。颠簸时经过的顶面倾斜垫,倾斜垫必须转向保持必要的趋同差距并生成负载容量。这些碰撞导致的摇摆运动倾斜垫在每个转动。表面的不规则性和倾斜垫运动比较,如图10。高度曲线绘制在中间表面的半径。三个疙瘩基本上与斜垫在每个旋转三次波动的时期。由于惯性和多维效应,摇摆倾斜垫的光滑,落后于表面高度的变化。与固定垫相比,倾斜垫主见空气膜厚度与表面高度的变化。因此,接触非常减少的可能性,和润滑能力提高。

5。结论

优秀的适应能力,提出了模拟轴承。表面突起的不利影响最小化了倾斜的摇摆运动垫,和一个完整的空气膜形成之间的差距。有效的空气膜厚度约为5μm是集中在中部地区的表面,虽然表面平面度达到0.010毫米。然而,理论模型表明,约1/3的空气膜厚度浪费是由于表面不规则性。中央旋转倾斜垫的设计具有特定的意义,使推力盘的底面完全适应倾斜垫。表面处理技术的要求适当放松。这种设计并不会使轴承不稳定。它有助于薄膜润滑和微型燃气轮机是一个潜在的应用程序。

命名法

:	无量纲空气膜厚度
:	重力的推力盘
:	转动惯量的倾斜垫
:	重力的时刻
:	气膜力的时刻
:	总运行时间
:	转速
:	初始转速
:	气膜力
:	阻尼
:	空气膜中央厚度
:	最初的空气膜中央厚度
:	峰值振幅
:	推力盘的质量
:	内斜垫的半径
:	半径定位传感器2
:	时间
:	轴向位移
:	旋角
:	半张角的倾斜垫
:	角度传感器2和倾斜垫之间的中心。

数据可用性

使用的数据来支持本研究的结果包括在本文中。

的利益冲突

我们声明我们没有金融和个人关系与他人或组织可以不当影响我们的工作。

确认

作者感谢中国国家自然科学基金(52075096)和南京理工学院科学基金会(YKJ201814)。

引用

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