Научная электронная библиотека

Монографии, изданные в издательстве Российской Академии Естествознания

Частично пористые газостатические опоры шпиндельных узлов. Теория и эксперимент: монография

Космынин А. В., Виноградова С. В., Виноградов В. С., Щетинин В. С., Смирнов А. В.,

4.2.1. Влияние относительного эксцентриситета на характеристики частично пористого подшипника

Влияние относительного эксцентриситета  на коэффициент несущей способности C_Q показано на рис. 4.13.

Из представленных зависимостей видно, что коэффициент несущей способности увеличивается с увеличением относительного эксцентриситета. Это объясняется тем, что при смещении вала в опоре в эксцентричное положение происходит перераспределение давления в окружном направлении подшипника. В нагруженной части опоры, где зазор мал, давление газа увеличивается, вследствие роста сопротивления движению газа к торцам подшипника. В разгруженной части опоры, где зазор сравнительно велик, давление падает, и чем выше значение эксцентриситета между осями вала и вкладыша подшипника, тем выше будет перепад давления на вале, который и определяет несущую способность опоры.

Нагрузочные кривые демонстрируют, что с ростом относительного эксцентриситета максимум нагрузки смещается в область повышенных значений конструктивного параметра. Заметим, что в области рабочих значений относительного эксцентриситета ε = 0,5...0,7 максимальное значение коэффициента несущей способности  соответствует значениям конструктивного параметра K_c ≈ 0,58...0,72.

 

Рис. 4.13. Зависимость коэффициента несущей способности C_Q от конструктивного параметра K_c и относительного эксцентриситета :
= 1/6; = 1,2; = 0,67; = 0,15; N_вст = 6, Λ= 0

Зависимость коэффициента жёсткости смазочного слоя k_s от относи­тельного эксцентриситета ε и конструктивного параметра K_c показана на рис. 4.14.

 

Рис. 4.14. Зависимость коэффициента жёсткости k_s от конструктивного параметра K_c и относительного эксцентриситета ε:
= 1/6; = 1,2; = 0,67; = 0,15; N_вст= 6, Λ = 0

Из представленных графиков видно, что с увеличением относительного эксцентриситета экстремум функции  смещается в область больших значений конструктивного параметра.

Отметим сложный характер зависимости  при относительном эксцентриситете 0,8. Детальное исследование этой кривой жесткости показало, что результатом такого ее поведения является изменение сопротивления движения газа в пористом материале, а также величина утечки газа в окружном направлении и к торцам подшипников. Обсудим более подробно результаты численного расчета.

На поле графика зависимости  при ε = 0,8 можно выделить четыре области изменения кривой жесткости по мере возрастания конструктивного параметра - сначала коэффициент жёсткости увеличивается, затем уменьшается, затем вновь возрастает, достигая максимума k_s, и далее при высоких значениях конструктивного параметра K_c понижается (на рис. 4.14 не показано).

Объяснение полученных результатов выполним в предположении, что конструктивный параметр K_c изменяется только в результате изменения коэффициента проницаемости пористого материала.

Первый диапазон изменения конструктивного параметра характеризуется большой газопроницаемостью пористого материала. Поэтому истечение газа в зазор происходит с малым сопротивлением его движению в пористом слое. Вследствие этого давление газа в окружном направлении с изменением относительного эксцентриситета изменяется незначительно и, следовательно, влияние окружной перетечки газа на формирование поля давления в целом несущественно.

Анализ поля давления газа в этом диапазоне изменения конструктивного параметра показывает, что в нагруженной части подшипника, имеющей минимальный радиальный зазор, давление газа незначительно зависит от величины относительного эксцентриситета.

Давление в разгруженной части газовой опоры, в которой образуется максимальный зазор, более чувствительно к изменению относительного эксцентриситета. Это связано с более высокой скоростью движения газа в пористом материале из-за меньшего, чем в нагруженной части сопротивления движению на выходе из пористой матрицы. При этом, хотя и слабо, прослеживается следующая тенденция. По мере возрастания относительного эксцентриситета и конструктивного параметра (уменьшения газопроницаемости пористого материала) интенсивность падения давления в этой части подшипника сначала увеличивается, а потом из-за усиления окружной перетечки газа и, как следствие, выравнивания поля давления в нагруженной и разгруженной части газовой опоры, уменьшается. Это, однако, не приводит к снижению коэффициента жесткости при  = 0,8, а вызывает только уменьшение его темпа роста с увеличением конструктивного параметра. Кроме этого, описанный характер изменения давления объясняет тот результат, что при весьма низких значениях конструктивного параметра коэффициент жесткости смазочного слоя при ε = 0,8 является максимальным, а при увеличении K_c становится минимальным.

Во втором диапазоне изменения конструктивного параметра газопроницаемость пористого материала и, следовательно, сопротивление движению в нем газа уменьшаются до такой величины, когда с изменением относительного эксцентриситета происходит существенное изменение давления в зазоре нагруженной части подшипника. При этом давления в разгруженной части подшипника изменяется также слабо, как и в конце первого диапазона.

Исследование характера изменения давления газа в нагруженной части подшипников показало, что с увеличением  темп роста давления заметно снижается. Последнее связано, главным образом, со значительной интенсификацией окружной перетечки газа. С ростом конструктивного параметра это ведет к уменьшению коэффициента жесткости смазочного слоя, в результате чего на кривой  при ε = 0,8 образуется локальный максимум функции.

В третьем диапазоне изменения конструктивного параметра происходит дальнейшее уменьшение газопроницаемости пористого материала. Это обуславливает рост сопротивления движению газа в пористой матрице и, как следствие, снижение градиента давления в нагруженной и разгруженной частях подшипника. Снижение градиента давления способствует уменьшению окружной перетечки газа и, следовательно, ослаблению ее влияния на формирование поля давления. С возрастанием конструктивного параметра и относительного эксцентриситета это ведет к интенсификации роста давления в нагруженной части подшипника. При этом с ростом  давление в разгруженной части подшипника из-за относительно большого зазора и сопротивления движению газа в пористом материале не претерпевает особых изменений. Такой характер изменения давления в нагруженной и разгруженной части подшипника вызывает уменьшение коэффициента жесткости при низких значениях относительного эксцентриситета и повышение k_s при высоких значениях ε.

В четвертом диапазоне изменения конструктивного параметра коэффициент газопроницаемости существенно снижается, увеличивая, тем самым, сопротивление движению газа в пористом ограничителе расхода. С возрастанием конструктивного параметра все большая часть давления наддува теряется при прохождении газа через пористый слой, вследствие чего, изменение давления в зазоре подшипника все меньше становится зависимым от величины относительного эксцентриситета. При этом с увеличением  интенсивность роста давления в нагруженной части подшипника заметно ослабевает и практически полностью прекращается снижение давления в разгруженной части что, в конечном итоге, приводит к уменьшению коэффициента жесткости при всех значениях относительного эксцентриситета.