張 亮， 李 佳， 劉懷廣

(1.武漢科技大學(xué)冶金裝備及控制教育部重點實驗室， 湖北武漢 430081； 2.武漢科技大學(xué)機(jī)械傳動與制造工程湖北省重點實驗室， 湖北武漢 430081； 3.武漢科技大學(xué)精密制造研究院， 湖北武漢 430081)

引言

氣浮支承具有低磨損、低污染、高精度等優(yōu)點，廣泛應(yīng)用于高端精密制造領(lǐng)域[1-3]。為了克服低承載力和低剛度的缺陷以滿足更多應(yīng)用，氣浮支承的設(shè)計研究[4-5]主要致力于提高承載力和剛度等靜態(tài)特性。國內(nèi)外學(xué)者通過改進(jìn)節(jié)流方式和氣浮支承結(jié)構(gòu)的方式來實現(xiàn)。

目前，氣浮支承的節(jié)流方式[6-7]相繼出現(xiàn)小孔節(jié)流、表面節(jié)流及狹縫節(jié)流等新類型。研究發(fā)現(xiàn)有腔小孔節(jié)流其綜合性能好，目前在工程項目中廣泛應(yīng)用[8-10]。帶均壓槽結(jié)構(gòu)氣浮支承的靜態(tài)特性，均壓槽可以改善氣浮支承膜內(nèi)壓力分布，同時起著二次節(jié)流的作用[11-15]。狹縫節(jié)流穩(wěn)定性更好，并且可以提高氣浮支承的承載力和剛度[16-19]。以上3種新型節(jié)流方式僅研究單一節(jié)流方式對氣浮支承結(jié)構(gòu)靜態(tài)特性的影響，然而對均壓腔、均壓槽及狹縫節(jié)流方式結(jié)合的復(fù)合節(jié)流研究較少。

基于上述相關(guān)研究，本研究設(shè)計一種梯形均壓槽表面節(jié)流氣浮支承，此氣浮支承是同時采取狹縫節(jié)流、均壓槽節(jié)流和均壓腔節(jié)流的復(fù)式結(jié)構(gòu)，綜合了上述結(jié)構(gòu)高承載力和剛度的優(yōu)點，且具有較好的穩(wěn)定性。采用Fluent軟件進(jìn)行仿真，對比分析均壓槽半徑、深度、數(shù)目、角度和供氣壓力對承載力和剛度的影響，為提高氣浮支承靜態(tài)性能設(shè)計提供參考。

1 結(jié)構(gòu)和工作原理

圖1為梯形均壓槽氣浮支承結(jié)構(gòu)圖，狹縫由2個同心柱面構(gòu)成，均壓槽徑向截面呈扇形，周向截面呈梯形。氣膜厚度H3，氣浮支承的半經(jīng)Rf=50 mm；狹縫高度H1=4 mm，寬度D2=20 μm；均壓腔的深度H2=0.1 mm，直徑D1=3 mm；均壓槽的半徑Rg、深度Hg、數(shù)目Ng、角度θg及供氣壓力ps。

梯形均壓槽氣浮支承采取狹縫進(jìn)氣方式。氣體經(jīng)節(jié)流后，沿支承面間隙向外擴(kuò)散直至氣浮支承的外邊界，氣體在擴(kuò)散的同時會產(chǎn)生一定厚度的具有承載能力的氣膜，如圖1所示。

2 仿真前處理

2.1 模型的建立及邊界條件的設(shè)置

梯形均壓槽氣浮支承是對稱結(jié)構(gòu)，在氣膜的圓周方向上，取四分之一等份的氣體流場模型如圖2所示。設(shè)定邊界條件：左右對稱面設(shè)置成對稱邊界條件。進(jìn)口設(shè)置成壓力進(jìn)口邊界條件；出口設(shè)置成壓力出口邊界條件；其余均設(shè)置成無滑移無傳熱固體壁面。

1.進(jìn)氣口 2.狹縫D2 3、4.均壓槽圖1 梯形均壓槽氣浮支承結(jié)構(gòu)圖

圖2 流場模型示意圖

2.2 網(wǎng)格劃分

采用Hypermesh軟件對氣體流場模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分。為提高流場計算精度，采用六面體網(wǎng)格單元；在氣膜厚度方向上進(jìn)行多層細(xì)化劃分；均壓腔及均壓槽等重要部分進(jìn)行局部加密。圖3為氣體流域CFD模型。

圖3 氣體流域CFD模型

2.3 假設(shè)條件

仿真計算過程作出如下假設(shè)：

(1) 氣體為可壓縮性氣體，黏性系數(shù)為常數(shù)；

(2) 氣膜在間隙中的流動為層流；

(3) 壁面邊界條件為無滑移、無熱傳導(dǎo)；

(4) 氣體流入量等于氣體流出量。

3 計算參數(shù)

本研究主要研究供氣壓力和均壓槽尺寸參數(shù)對氣浮支承靜態(tài)特性的影響，保證其他參數(shù)不變。供氣壓力和均壓槽尺寸參數(shù)取值如表1所示。

表1 供氣壓力和均壓槽尺寸的參數(shù)

4 仿真結(jié)果分析與研究

4.1 仿真方法驗證

為驗證仿真方法的可靠性，利用仿真方法對驗證模型進(jìn)行數(shù)值仿真，驗證模型相關(guān)尺寸參數(shù)如表2所示。BELFORTE等[20]關(guān)于氣浮支承的實驗研究被廣泛引用，將仿真結(jié)果與BELFORTE進(jìn)行的氣浮支承壓力分布實驗結(jié)果進(jìn)行對比。對比結(jié)果如圖4所示，可以看出，仿真結(jié)果與實驗結(jié)果基本吻合，因此此仿真方法具有較高可靠性。

表2 模型參數(shù)

圖4 實驗結(jié)果與仿真結(jié)果對比圖

4.2 有無均壓槽性能對比

分別對具有梯形均壓槽(H2=0.1 mm，D1=3 mm，Rg=30 mm，Hg=0.1 mm，Ng=4，θg=4°，p0=0.5 MPa)和無均壓槽(H2=0.1 mm，D1=3 mm，Rg=0，Hg=0，Ng=0，θg=0，p0=0.5 MPa)氣浮支承的流場模型進(jìn)行數(shù)值仿真。由承載力對比圖5可知，梯形均壓槽可以提高氣浮支承的承載力。

圖5 承載力對比圖

4.3 半徑影響規(guī)律

保證氣浮支承其他參數(shù)不變，研究不同均壓槽半徑Rg(10/20/30/40 mm)情況下氣膜厚度對氣浮支承靜態(tài)特性影響。得到不同深度均壓槽的承載力、剛度及質(zhì)量流量隨著氣膜厚度變化的影響規(guī)律如圖6所示。

由圖6a可知，隨著氣膜厚度的增加，承載力逐漸減??；在氣膜厚度H小于12 μm時，承載力隨著均壓槽半徑增大而增大。由圖6b可知，隨著氣膜厚度增加，剛度先增加后減??；在氣膜厚度H小于17 μm，剛度隨著均壓槽半徑增加而增加；剛度峰值所處氣膜厚度范圍10～15 μm。由圖6c可知，質(zhì)量流量隨著氣膜厚度增加而增加；增加均壓槽半徑，氣體的質(zhì)量流量也會增加。因此增加均壓槽半徑可以提高氣浮支承的承載力和剛度，但同時會增加氣體的質(zhì)量流量。

4.4 深度影響規(guī)律

保證氣浮支承其他參數(shù)不變，研究不同均壓槽深度Hg(0.02/0.04/0.06 mm)情況下氣膜厚度對氣浮支承的承載力和剛度影響。得到不同深度均壓槽的承載力、剛度及質(zhì)量流量隨著氣膜厚度變化的影響規(guī)律如圖7所示。

由圖7a可知，隨著氣膜厚度增加，承載力逐漸減??；在氣膜厚度處于3～20 μm時，隨著均壓槽深度增加，承載力逐漸增加；氣膜厚度H大于20 μm時，均壓槽深度對承載力影響較小；當(dāng)均壓槽深度Hg不小于0.04 mm時,最大承載力不變。由圖7b可知， 剛度隨著氣膜厚度增加變化趨勢是先增加到達(dá)峰值后減小；剛度峰值隨著均壓槽深度增加而減小；剛度峰值所處的氣膜厚度隨著深度增加而增加。由圖7c可知，質(zhì)量流量隨著氣膜厚度增加而增加；增加均壓槽深度，會增加氣體消耗。因此可以通過提高均壓槽的深度增加氣浮支承的承載力和剛度。

圖6 不同均壓槽半徑的承載力、 剛度和質(zhì)量流量變化曲線

圖7 不同均壓槽深度的承載力、 剛度和質(zhì)量流量變化曲線

4.5 數(shù)目影響規(guī)律

保證氣浮支承其他參數(shù)不變，研究不同均壓槽數(shù)目Ng(2/4/8/16)情況下氣膜厚度對氣浮支承的承載力和剛度影響。得到不同均壓槽數(shù)目的承載力、剛度及質(zhì)量流量隨著氣膜厚度變化的影響規(guī)律如圖8所示。

由圖8a仿真結(jié)果可知，隨氣膜厚度增加，承載力逐漸減??；氣膜厚度H小于20 μm時，隨著均壓槽數(shù)目增加，氣浮支承的承載力增大；H大于20 μm時，均壓槽數(shù)目對承載力影響較小。由圖8b可知，在氣膜厚度一定時，氣浮支承的剛度隨著均壓槽數(shù)目增加而減??；剛度峰值隨著均壓槽數(shù)目增加而增加；剛度峰值對應(yīng)的氣膜厚度隨數(shù)目增加而增加；剛度峰值所處氣膜厚度范圍10～15 μm。由圖8c可知，氣體的質(zhì)量流量隨著氣膜厚度增加而增加；隨著均壓槽數(shù)目增加，氣體質(zhì)量流量增加。

圖8 不同均壓槽數(shù)目的承載力、 剛度和質(zhì)量流量變化曲線

圖9 不同均壓槽角度的承載力、剛度和 質(zhì)量流量變化曲線

4.6 角度影響規(guī)律

保證氣浮支承其他參數(shù)不變，研究不同角度θg(4°/6°/8°/10°)情況下氣膜厚度對氣浮支承的承載力、剛度及質(zhì)量流量的影響。得到不同均壓槽角度的承載力、剛度和質(zhì)量流量變化曲線如圖9所示。

由圖9a可知，隨著氣膜厚度增加，承載力逐漸減??；增大均壓槽角度對氣浮支承承載力影響較小。由圖9b可知，隨氣膜厚度的增加，氣浮支承的剛度先增加值后減小，剛度峰值所對應(yīng)的氣膜厚度處于10～15 μm；均壓槽角度增加對氣浮支承剛度影響較小。由圖9c可知，均壓槽角度增加，氣體的質(zhì)量流量增加。綜上可知，均壓槽角度對氣浮支承的承載力和剛度的影響較小。

4.7 供氣壓力影響規(guī)律

保證氣浮支承其他參數(shù)不變，研究不同供氣壓力ps(0.3/0.4/0.5/0.6 MPa)情況下氣膜厚度對氣浮支承的承載力和剛度影響。計算得到不同供氣壓力的承載力、剛度和質(zhì)量流量的變化曲線如圖10所示。

由圖10a可知，梯形均壓槽氣浮支承的承載力隨著供氣壓力的增加而增加；氣膜厚度一定時，增加供氣壓力，承載力增大。由圖10b可知剛度隨著氣膜厚度的增加，先增加再減小。增加供氣壓力可以提高氣浮支承的剛度，且不影響剛度峰值所處的氣膜厚度。由圖10c可知，增大供氣壓力提高承載力和剛度同時，也會增加氣體消耗量。

圖10 不同供氣壓力的承載力、剛度及質(zhì)量流量變化曲線

5 結(jié)論

研究梯形均壓槽的深度、半徑、數(shù)目、角度等結(jié)構(gòu)參數(shù)及供氣壓力對梯形均壓槽氣浮支承承載力、剛度及質(zhì)量流量的影響規(guī)律。得出以下結(jié)論：

(1) 對于同時采用狹縫節(jié)流和均壓腔節(jié)流的氣浮支承，增設(shè)均壓槽可以提高氣浮支承的承載力和剛度，同時氣體消耗量有一定提升；

(2) 氣浮支承的其他參數(shù)一定時，承載力隨著均壓槽的深度、數(shù)目、半徑及供氣壓力的增加而增加；承載力變化趨勢隨著氣膜厚度不斷增加，逐漸減?。粴饽ず穸菻小于10 μm時，承載力下降速度比較緩慢，承載力未發(fā)生陡降；H大于10 μm時, 承載力下降速度較快；

(3) 氣浮支承的其他參數(shù)一定時，剛度隨著均壓槽的深度、半徑、數(shù)目、角度及供氣壓力增加而增加；剛度變化趨勢是隨著氣膜厚度不斷增加，先增大后減小；

(4) 本研究中所述氣浮支承承載力最大值所處氣膜厚度范圍3～10 μm，氣浮支承剛度峰值所處氣膜厚度范圍10～15 μm。當(dāng)氣膜厚度在10 μm時，其綜合性能最佳。