小孔节流静压主轴系统的设计分析与仿真

发布时间：2020-04-11 08:06

【摘要】：氧气压缩机做为一种把机械能转换为氧气压力能的动力装置,在工业生产中应用的非常广泛,而其过大的功率消耗已成为大家关注的问题。在氧气压缩机总的功率消耗中占主要部分的是主轴的摩擦功耗,现有氧压机的主轴支撑主要使用剖分式的滑动轴承,由于主轴与滑动轴承的配合面基本处于混合摩擦或边界摩擦的工作状态,产生很大摩擦功耗,并且降低了轴承的使用寿命。而静压轴承凭借着它运动精度高、摩擦系数和驱动功率低、工作寿命长、良好的稳定性等特点,能够很好的解决此问题。本文通过对曲轴用剖分式静压轴承结构和节流方式的设计,对某大型氧气压缩机滑动轴承的改造进行研究。首先根据氧气压缩机的曲轴结构,确定了静压轴承的基本结构和各项设计参数,由于空间限制确定了独特的小孔节流方式,分析了小孔直径的变化对静压轴承的设计间隙、轴承刚度和摩擦功耗的影响。接着,在相同设计参数的基础上,计算比较了滑动轴承、滚动轴承和静压轴承三种轴承的摩擦功耗。然后,应用有限元软件ANSYS/CFX,建立了静压油膜的模型,在同等边界条件下基于有限体积法对油膜的流场进行仿真分析,通过改变轴承结构参数和工况参数,计算分析了油膜压力分布和流线速度分布。最后,进行实验分析,模拟静压轴承薄壁小孔,通过改变孔径和小孔长度,分析了孔径和长度对通过小孔流量的影响,使小孔节流的设计计算更加精确。根据分析结果,得出对于形如曲轴这样的复杂支承结构,采用小孔节流器形式,不仅在结构上易于实现,同时,只要设计得当,仍可获得润滑、刚度等良好的性能。计算分析节流器小孔直径与摩擦功耗以及支承刚度之间的关系,得到了最佳的小孔直径。不仅可以得到较高的支承刚度,而且摩擦功耗也较小。通过对滑动轴承、滚动轴承和静压轴承摩擦功耗的计算,得出了静压轴承是三种形式支承中摩擦功耗最小的结论,为静压轴承取代滑动轴承提供了重要依据。在同样边界条件及求解参数的情况下,直径小的油膜压力比直径大的油膜压力大,即小直径的小孔承载能力比大直径的小孔承载能力大。流量实验验证了,小孔节流形式轴承油腔的流量不仅与小孔直径有关,同时小孔的长度也对其有重要的影响。
【图文】：

静压轴承,工作原理图

1.2 静压轴承的工作原理静压轴承是依靠外部供油系统，供给具有一定流量的压力油而建立压力油膜，靠液体的静压承受外加载荷，并保持主轴在预定载荷和任意转速下，都与轴承处于完全液体摩擦状态的液体滑动轴承。它利用专用的供油装置，将具有一定压力的润滑油送到轴承的静压腔内，形成具有压力的润滑油层，利用静压腔之间的压力差，形成静压轴承的承载力，将轴承主轴浮升并承受外载荷。静压轴承工作原理如图 1-1 所示。高压油经节流器进入油腔，节流器是用来保持油膜稳定性的。当轴承载荷为零时，轴颈与轴孔同心，各油腔的油压彼此相等。当轴承承受载荷 F 时，轴颈偏移，上、下油腔附近的间隙不同，下油腔的油膜减薄，流量减小，因此下油腔节流器的流量也减小，节流器中的压力损失也减小；因油泵的进油压力保持不变，所以下油腔中的压力将增大，上油腔的压力将减小，，轴承依靠这个压力差平衡载荷 F。由此可见，静压轴承的刚度相当大，当外载荷有所变动时，轴承的回转中心可基本保持不变，回转精度高[9]。

氧气压缩机,静压轴承

图 1-2 某大型氧气压缩机Fig.1-2 Large scale oxygen compressor 选题意义采用静压轴承作为氧气压缩机曲轴的支承轴承至今未见报道，通过结构论分析，建立一套完整的静压轴承在曲轴支承中的应用理论，具有很高义和实用价值。不仅可以减少摩擦功耗、提高设备使用寿命，还可以为企业节约成本，，同时为曲轴类机械提供新的支承形式。在分析了小孔节流静压轴承的小孔直径对轴承各个性能参数影响的基础了在小孔直径选择适当数值时，不仅可获得较大的承载能力、油膜刚度有较小的摩擦功耗。对静压轴承的油膜压力分布及流场分布的仿真分析供油压力对静压轴承性能的影响进行分析，为静压轴承能够成功应用于机提供了必要的依据。
【学位授予单位】：河南科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2009
【分类号】：TH133.36

【参考文献】