基于CFD仿真凹槽静压轴承轴瓦在静态条件运行的新型几何优化方法
一、前言：
静压轴承轴瓦的设计仅限于使用解析方程的简单几何形状或基于实验数据的单参数优化。本研究提出并研究了一种新的双参数方法，用于使用计算流体动力学估计最佳静压轴承瓦比例 - 凹槽面积和位置。
本研究使用假设层流的多凹槽静压轴承轴瓦的三维静态CFD四分之一模型。CFD模型根据实验结果和文献进行校准。针对各种凹槽位置和区域评估凹槽压力和产生的负载。
在环境中计算和插值性能因子。使用所提出的新型双参数优化方法，与经典的单参数方法相比，能量损失降低了3%。这种方法允许在低速条件下运行的最佳静液压轴承的多功能和有效设计，以实现最小的能量损失。
二、材料和方法
静压 轴承是高精度机器的重要组成部分，其尺寸范围从毫米到数十米。它们广泛用于加工中心、导轨、转盘、太空望远镜和水能学。主要优点是在零速下运行、非常低的摩擦、最小的磨损、高刚度和良好的阻尼能力。
零速运行的可能性为流体动压轴承在低速条件下的运行创造了巨大的优势。因此，经常与HS轴承结合使用，以提高性能并减少低速运行和启动和停止阶段的磨损。
这种轴承称为混合陶瓷轴承。有必要不断为轴承提供加压润滑剂，以保持均匀的润滑层和适当的功能。能量要求和初始成本远高于其他轴承类型。近年来对更换大型转子滚动轴承的兴趣一直在上升，以减少停机时间和维护成本。
工作原理润滑剂由液压回路供应到垫的凹槽中产生的压力提升负载并将轴承垫和转盘如果是圆形轴或滑块如果是导轨的固体分开。形成厚度通常在10-100μm范围内的润滑膜。
从狭窄间隙流出的润滑剂返回到液压回路。限流器在实现高刚度、稳定性和控制方面起着重要作用。已经提出了许多类型的此类装置来提高轴承性能，例如孔口，膜构件或反馈系统。
润滑剂供应对于在移动时正常运行或直到达到所需的滑动速度对于混合陶瓷轴承是必要的，以便发生流体动力效应并承受载荷。得出结论，HS轴承在过去几年中具有越来越多的研究兴趣。
设计HS轴承衬垫以获得最佳性能和最小的能量需求至关重要，这些需求随着轴承尺寸的增加而增加。实施业内最好的可用技术可以将某些领域的总能耗降低多达20%，这是直接影响环境和最终产品或服务价格的大量能源。
后来继续使用电场类比对 HS 轴承进行建模，以便进行可能的简化。HS轴承设计过程中一个非常重要的步骤是优化以实现最佳性能并尽可能减少能量需求。这对于能耗很高的大型HS轴承尤其重要]。
为了获得最佳性能和稳定性，应考虑多准则优化方法。简单的焊盘几何形状，如圆形焊盘和凹槽，已被分析推导。在复杂和多凹槽垫的情况下，分析解决方案变得非常复杂，并且必须通过实验或使用数值方法获得性能特征。
在过去十年中，计算流体动力学越来越多地用于各种应用。这种方法的主要优点之一是，它允许人们获得许多参数，并在极其困难甚至不可能实现传感器或使用光学方法的区域研究流动特性。
CFD已被用于研究流体动力学、HS和混合陶瓷轴承。进行了一项数值研究，以确定非常规混合陶瓷轴承的性能。混合陶瓷轴承在较低的压力和温度峰值下运行，获得更高的轴承稳定性。
确定模型的准确性至关重要。使用四分之一CFD模型研究了重型HS轴承，与分析方法相比，误差低于10%。 研究了HS轴承孔长的影响，并将CFD模型与误差低于1%的实验进行了比较。
这些实验对于CFD模型验证至关重要，特别是在无法使用精确分析方法的情况下。得出结论，流体动压轴承中HS口袋的存在减少了温度变化和压力峰值，提高了混合陶瓷轴承的可靠性，但存在口袋的缺点是由于较冷的油而导致的摩擦损失更大。
对大型流体动力推力轴承的理论计算和预测进行了实验验证，并强调了数值模拟的实验验证的必要性，这些数值模拟是简化的，不能代表真实的几何形状和其他影响效应。
基于纳维-斯托克斯方程，通过层流和湍流流态的比较，对混合陶瓷轴承的二维凹槽中的流动模式进行了参数化研究。湍流状态的建模有助于更好地了解凹槽轴承中的惯性和粘性效应。
出于这个原因，后来使用湍流模型对更高雷诺数的流动进行静压轴承孔口性能数值研究。 将数值流动特性的研究扩展到径向轴承，并在高转速下使用流线图的激光流动可视化进行实验验证。
后来对HS推力轴承进行了类似的研究，以研究几何图案和不同的轴瓦形状，得出的结论是，所提出的模型可能有助于HS轴承的承载能力和HS轴承在低速应用中的刚度。
提出了一个分析模型，用于分析使用CFD和实验程序验证的倾斜HS径向轴承的压力。对流体动力和HS轴承应用中静态和动态特性的CFD代码进行了比较。CFD将在未来的研究中在轴承和阻尼器分析中发挥重要作用。
将CFD标准代码与HS，流体动力任何混合陶瓷轴承分析的特殊代码进行比较，显示出良好的一致性，得出了通用代码可用于研究此类轴承及其静态和动态特性的结论。
CFD可以显著加快开发速度，降低成本，并提供有关流动特性和许多参数的详细信息。CFD方法在各种应用中被广泛采用，包括HS、流体动力和混合陶瓷轴承，但有必要设置适当的边界条件，并通过实验方法验证获得的结果。
在过去几年中，已经提出了许多涉及HS轴承CFD分析的论文，其中只有少数提供了实用的设计建议。旨在优化HS轴承轴瓦中的凹槽尺寸和位置，以最大程度地减少能量损失，同时在静态和低速条件下实现最佳性能。
尚未提出使用面积比和凹槽位置的几何优化多参数方法纳维-斯托克斯方程在流体力学领域发挥着重要作用。由于纳维-斯托克斯方程的复杂性，几乎不可能获得解析表达式来计算所需的流动特性。可以考虑某些假设来帮助获得更简单形式的方程。
三、结果与讨论：
每个 2-PAD 焊盘上都安装了三触点电位计接近传感器，以获得精度为 0.01 mm 和范围为 3 mm 的薄膜厚度。为了测量凹槽区域的实际温度，在每个凹槽中都安装了温度计，用于计算润滑剂的粘度值。
由于液压回路具有相对较大的油箱，不需要额外的冷却。实验条件基于先前的测试方位与解析方程的比较。进入两个垫的总供应流量设置为45.8升/分钟。
比较了可变载荷下的预测和测量薄膜厚度，其中在45 kN负载下实现了最高精度。
对于所有测量，所得平均薄膜厚度为16.0毫米。在这种情况下，研究了基于压力的具有绝对速度公式的稳态不可压缩流动，而不考虑热效应和重力。在所有模拟中都考虑了均匀的润滑膜。雷诺数估计值低于10。
薄膜区域预计层流状态，选择了层流模型。由于在非常短的实验测试中假设了相对较高的膜厚和低压，假设了恒温条件 - 恒定的粘度为所有仿真设计点建立。
操作条件包括 101.3 kPa 的大气压力，以反映实际条件。流体域的3D几何形状在程序的3D建模软件中进行了参数化。可变参数、凹槽位置和直径列中。所有设计点的仿真均使用以下设置进行。
在进行仿真参数化之前， 在顶部平面上设置网格细化，以增强作用在该平面上的压力和产生的力的结果。使用理查森外推法比较了三组网格。离散化误差是根据三组等间距网格的结果，根据理论外推值计算的。
在润滑膜区域的壁上增加了三个边界层，以增强顶平面区域的近壁流体行为，并从中评估结果。由于润滑膜高度和凹槽深度之间的差异较大，元件生长速率设置为1.05，以确保元件的缓慢过渡。
模型的精度也根据分析预测和实验获得的结果进行判断。使用这种方法也可以优化具有较小膜厚的轴承，但可能需要更长的计算时间才能确保从凹槽区域到薄膜区域的平滑啮合元件过渡连续性和动量方程条件的残差设置为10以下实现收敛。
在松弛下，速度和压力的系数分别设定为0.5和0.5，无需进一步调整。该方案应能为稳态流动提供稳健的高性能。采用基于梯度最小二乘的空间离散化方法。首选方案——二阶和二阶上风分别保留压力和动量。
进行了混合初始化以提高每个案例的收敛性。一个案例大约需要 20 分钟才能离散化并使用使用的计算机规格求解。
四、结论：
每个焊盘施加的总负载是基于使用传感器精度为3%的称重传感器进行的三次测量获得的，结果平均偏差低于0.5%。从每个凹槽中的压力传感器获得凹槽压力，传感器精度为5%，根据三次测量得出的平均偏差低于1%。计算出的负载是使用安装在焊盘上的传感器的信息获得的。
载荷的CFD结果是通过作用在模型顶部接触平面上的力获得的。滑块和装载框架的重量包括在负载评估中。实验结果表明，与考虑所用传感器精度的计算结果吻合较好。凹槽深度对性能的影响也可能影响结果。
分析计算不假设此几何参数。与分析方法相比，凹槽压力结果的差异达到-实验。由于分别在分析和CFD计算中假设的简化，实验获得的值表现出较低的值。在所有模拟中都假设粘度恒定以确定最佳几何形状。
各种形状的比较不受影响，但动态粘度随温度的变化可能会引起结果的额外影响，在5°C下大约变化1%。 HS轴承的几何缺陷表面平整度和粗糙度或凹槽深度效应的影响可能是由于忽略了分析计算，这可能是对结果差异的微小贡献。
获得的结果具有令人满意的精度，可以继续进行模型参数化。对于开式轴承（不带对轴瓦，应选择凹槽位置，同时考虑轴承管理不对称载荷和轴瓦不对中的能力。这是与传统的单参数方法相比，多参数方法提供更通用的设计过程的另一个原因。
各种垫片形状的压力等值线从最小和最靠近垫中心，到最远和最大土地面积越大，凹陷压力越高。在这种情况下，负载能力和管理不对称负载和错位的能力是不可取的。随着凹槽尺寸和与垫中心距离的增加，凹槽压力逐渐减小。
管理不对称载荷的最高能力是在最大的凹槽尺寸下实现的。在这种情况下，密封边缘非常小，压力梯度最陡峭对于这种配置，这使得轴承对轴瓦不对中极为敏感。 获得了最小的荷载系数，在这种情况下也产生了最大的流量系数，这是不希望的。
为了确定轴承的最佳形状，搜索了最小功率损耗因数。为了获得更准确的结果，最小值不是从设计点的计算值中选择的，而是使用如图所示的三次插值表面。此步骤允许在计算点之间查找功率损耗因数的最小值。
计算点用于拟合归一化的三次插值表面。也可以使用线性插值，它更简单，但不能捕获表面趋势和曲率以及三次插值。发现了功率损耗因数的最小值。最小值的坐标分别表示最佳形状 - 凹槽位置和面积比。
根据焊盘尺寸和可计算几何形状选择所研究的凹槽位置和面积比范围。如果需要更高的精度，插值网格可能会更精细。左侧的变形网格区域。只是拟合在采样点上的网格的图形表示，不进行评估。
提出了一种利用基于CFD仿真结果优化HS多凹推力轴承轴瓦几何形状的新方法。将CFD模型的精度与分析和实验结果进行了比较。所提出的双参数准则用于评估最佳形状——凹槽位置和凹槽面积与焊盘面积比。
双参数优化结果显示，与传统使用的单参数准则相比，功率损耗因数可能降低20%，这与泵送功率损耗直接相关。已经观察到凹槽的位置对最终的性能有很大的影响，应独立评估大小和位置。
压力等值线表明，所提出的双参数方法在瓦的中心区域提供了更均匀的压力分布，提高了负载能力、刚度以及管理不对称载荷和轴瓦错位的能力。为以最低能量要求获得最佳性能而量身定制的优化方案可用于具有自定义几何参数的各种形状。
所提出的方法可能会显着降低能量需求，特别是对于大型结构的轴承。在所提出的研究中优化了交叉对称的四个凹槽 HS 轴承轴瓦几何形状，但这种方法可以应用于任何形状的 HS 轴承和广泛的工作条件。
从非常低到极高的负载和凹槽压力。需要先确定凹槽的面积比和位置，对选定的设计点进行CFD分析，找到最小的功率损耗因数。所提方法的缺点是评估所有设计点所需的计算时间，但这取决于用于仿真的机器。
进一步的研究可能旨在对所呈现的3D优化图进行全面的实验评估。接下来的步骤可能会导致为最常用的轴承轴瓦几何形状准备 3D 优化图，以改进 HS 轴承的设计过程。
这种方法也可用于轴颈HS轴承。通过考虑滑动速度和热效应以及滑动表面几何精度即制造和装配误差的影响，介绍的模型的精度可以进一步提高。很少有人关注由加压流体流动引起的滑块转盘的结构变形。对轴承性能的实际影响的实验验证将为设计工程师提供有价值的信息。
文献参考：
1. I.Hartl，M，《大型静液压轴承系统的设计和优化综述》，国际科学技术学报出版社，2021年。
2. Rowe，W.B，《静压和混合陶瓷轴承技术的进步》，Proc. Inst. Mech Eng. 出版社，1989年。
3. D.V.，Hargreaves，D.J.，《研究静压凹槽对弹簧支撑的可倾瓦推力轴承的影响的等粘等温模型》，特里博尔出版社 ，2012年。
卧龙电驱申请一种电机端盖及其电机专利，能够阻断轴电流
金融界2024年6月21日消息，天眼查知识产权信息显示，卧龙采埃孚汽车电机有限公司以及卧龙电气驱动集团股份有限公司申请一项名为“一种电机端盖及其电机“，公开号CN202410524333.8，申请日期为2024年4月。
专利摘要显示，本发明涉及一种电机端盖，包括端盖本体、轴承钢套、绝缘体；端盖本体的内壁设有轴承室，轴承室的内壁一圈设有限位凹槽，端盖本体上沿厚度方向开设注胶孔，注胶孔与轴承室的内腔贯通；轴承钢套嵌入轴承室的内腔中，轴承钢套的外壁一圈与轴承室的内壁一圈之间留有间隙，轴承钢套的端面与轴承室的底面之间也留有间隙，轴承钢套的外壁一圈设有凹槽，轴承钢套上开设钢套缺口，钢套缺口与端盖本体上的注胶孔对应且贯通；绝缘体通过沿注胶孔向轴承室内壁与轴承钢套之间注入绝缘材料所形成。本发明在轴承室内部放置轴承钢套，通过注塑或灌胶方式在轴承钢套与轴承室内壁之间注入绝缘材料形成绝缘体，结构合理且成本低，能够阻断轴电流。
本文源自金融界
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