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摘要
空气静压轴承具有精度高、摩擦小和寿命长的特点，被广泛应用于航空航天等领域。不同空气静压轴承气膜的承载面积和厚度的差距悬殊，导致气膜内部的流场极为复杂，传统的基于层流假设的N-S (Navier-Stokes)方程已无法精确预测该轴承的工作特性。为此，以圆盘形中心供气小孔节流空气静压轴承为研究对象，基于气体润滑和湍流理论建立其气膜流场数学模型，分析了气膜流场内湍流斑形成涡旋后的发展运动以及向平滑层流过渡的过程。在相同工况下，针对气膜厚度较小（<10μm）时的特征流场采用k-ε模型，针对气膜厚度中等（10～20μm）时的特征流场采用大涡模拟（large eddy simulation, LES）模型，针对气膜厚度较大（20～30μm）时的特征流场采用“k-ε模型+层流模型”。然后，设计并搭建空气静压轴承静态特性测试实验台，以验证所采用计算模型的准确性。结果表明：根据不同工况选择适宜的计算模型，可提高空气静压轴承气膜流场的计算精度。当气膜厚度小于10μm时，气腔内湍动程度较大，宜采用k-ε模型进行描述；当气膜厚度增大到10～20μm时，气腔内大涡旋以一定速度沿半径方向扩散并输运能量，宜采用LES模型进行描述；当气膜厚度增大至20～30μm时，气膜的容性效应增强，使得气腔内后半部分呈现层流特征，宜采用混合计算模型进行描述。研究结果为不同工况下空气静压轴承的设计提供了参考数据，准确选择计算模型有利于缩短研发周期。
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单位机电工程学院; 昆明理工大学
