Формирование и исследование модели ступенчатого газового слоя для применения в опорах измерительного и диагностического оборудования

В статье представлены результаты разработки и исследования подхода, позволяющего построить расчётную сетку тонкого ступенчатого газового слоя, обеспечивающего несущую способность в опорах измерительного и диагностического оборудования высокой точности. Отмечается, что традиционные методы для автоматической генерации расчётной сетки обычно приводят к искажению исходной геометрии и, как следствие, к невозможности корректного моделирования течения газа.

Автором предложена методика, основанная на разложении модели на простые тела, которая позволяет формировать расчётную сетку правильной структуры с требуемой формой и ориентацией элементов. Важным компонентом предложенной методики является комплекс настроек, применяемых к модели с целью обеспечения межзонных интерфейсов, настройки граничных условий, а также для последующей инициализации решения и обеспечения сходимости при расчётах в системе ANSYS Fluent.

В исследовании также приведены результаты, иллюстрирующие ход тестовых расчётов и подтверждающие эффективность разработанного подхода при моделировании состояния смазочного газового слоя.

1. Gross W. A. Gas Film Lubrication. New York: John Wiley & Sons, 1962. 413 p.

2. Hamrock B. J. Fundamentals of Fluid Film Lubrication. New York: McGraw-Hill, 2004. 728 p. ISBN 9780203021187.

3. Шейнберг С. А. Газовая смазка подшипников скольжения // Трение и износ в машинах. 1953. № 8. С. 107–204.

4. Castelli V., Pirvics J. Review of Numerical Methods in Gas Bearing Film Analysis. Journal of Lubrication Technology. 1968;90(4):777–790. https://doi.org/10.1115/1.3601719.

5. Табачников Ю. Б. Методика расчета плоских кольцевых газостатических опор с круговой микроканавкой и ее экспериментальная проверка // Машиноведение. 1974. № 1. С. 96–103.

6. Castelli V., Elrod H. G. Solution of the Stability Problem for 360 Deg Self-Acting, Gas-Lubricated Bearings. Journal of Basic Engineering. 1965;87(1):199–210. https://doi.org/10.1115/1.3650508.

7. Elrod H. G., McCabe J. T., Chu T. Y. Determination of Gas-Bearing Stability by Response to a Step-Jump. Journal of Lubrication Technology. 1967;89(4):493–498. https://doi.org/10.1115/1.3617042.

8. Stout K. J., Pink E. G. Orifice compensated EP gas bearings: the significance of errors of manufacture. Tribology International. 1980;13(3):105–111. https://doi.org/10.1016/0301-679X(80)90052-3.

9. Kwan Y.-B. P., Post J. B. A tolerancing procedure for inherently compensated, rectangular aerostatic thrust bearings. Tribology International. 2000;33(8):581–585. https://doi.org/10.1016/S0301-679X(00)00109-2.

10. Tsai M. H., Hsu T. Y., Pai K. R., Shih M. Ch. Precision position control of pneumatic servo table embedded with aerostatic bearing. Journal of System Design and Dynamics. 2008;2(4):940–949. https://doi.org/10.1299/jsdd.2.940.

11. Chen D., Bian Ya., Fan J. Experiments and Identification of the Unbalance of Aerostatic Guideways on the Micro-Scale. Sensors. 2014;14(3):4416–4427. https://doi.org/10.3390/s140304416.

12. Ding J., Chang Y., Chen P. [et al.]. Dynamic modeling of ultra-precision fly cutting machine tool and the effect of ambient vibration on its tool tip response. International Journal of Extreme Manufacturing. 2020;2(2):025301. https://doi.org/10.1088/2631-7990/ab7b59.

13. Leach R. K., Giusca C. L., Naoi K. Development and characterization of a new instrument for the traceable measurement of areal surface texture. Measurement Science and Technology. 2009;20(12):125102. https://doi.org/10.1088/0957-0233/20/12/125102.

14. Thomsen-Schmidt P. Characterization of a traceable profiler instrument for areal roughness measurement. Measurement Science and Technology. 2011;22(9):094019. https://doi.org/10.1088/0957-0233/22/9/094019.

15. Lee K.-W., Noh Y.-J., Gao W. [et al.]. Experimental investigation of an air-bearing displacement sensor for on-machine surface form measurement of micro-structures. International Journal of Precision Engineering and Manufacturing. 2011;12(4):671–678. https://doi.org/10.1007/s12541-011-0087-7.

16. Lian H. Ch. Rong, Li Yu. Influence of operating temperature on the static characteristics of an externally pressurized thrust bearing lubricated with refrigerant gas. Tribology Letters. 2021;69:123. https://doi.org/10.1007/s11249-021-01501-2.

17. Lu Z.-W., Zhang J.-A., Liu B. Study on the gas film flow field and its influencing factors at the outlet of the orifice of the aerostatic bearing. Shock and Vibration. 2020;2020:8891382. https://doi.org/10.1155/2020/8891382.

18. Majumdar B. C. Zero-load stability of a rigid rotor supported on pressurized porous gas bearing. Mechanism and Machine Theory. 1977;12(4):303–310. https://doi.org/10.1016/0094-114X(77)90006-4.

19. Chen M. F., Lin Y. T. Static behavior and dynamic stability analysis of grooved rectangular aerostatic thrust bearings by modified resistance network method. Tribology International. 2002;35(5):329–338. https://doi.org/10.1016/S0301-679X(02)00012-9.

20. Chen X.-D., He X.-M. The effect of the recess shape on performance analysis of the gas-lubricated bearing in optical lithography. Tribology International. 2006;39(11):1336–1341. https://doi.org/10.1016/j.triboint.2005.10.005.

21. Aoyama T., Kakinuma Y., Kobayashi Y. Numerical and experimental analysis for the small vibration of aerostatic guideways. CIRP Annals. 2006;55(1):419–422. https://doi.org/10.1016/S0007-8506(07)60449-1.

22. Zhu J., Chen H., Chen X. Large eddy simulation of vortex shedding and pressure fluctuation in aerostatic bearings. Journal of Fluids and Structures. 2013;40:42–51. https://doi.org/10.1016/j.jfluidstructs.2013.03.012.

23. Li Y., Lin Y., Zhu H., Sun Z. Research on the gas pressure fluctuation characteristics inside an aerostatic thrust bearing with a pocketed orifice-type restrictor. Tribology Transactions. 2014;57(1):28–35. https://doi.org/10.1080/10402004.2013.840406.

24. Ramachandra S. A Solution of Reynolds equation for a full finite journal bearing. Journal of Basic Engineering. 1961;83(4):589–593. https://doi.org/10.1115/1.3662273.

25. Pandian M. C. A new method for the numerical solution of the Reynolds equation for gas-lubricated slider bearings. Journal of Engineering Mathematics. 1985;19:3–19. https://doi.org/10.1007/BF00055036.

26. Anaya-Dufresne M., Sinclair G. B. Some Exact Solutions of Reynolds Equation. Journal of Tribology. 1995;117(3):560–562. https://doi.org/10.1115/1.2831292.

27. Miyatake M., Yoshimoto Sh. Numerical investigation of static and dynamic characteristics of aerostatic thrust bearings with small feed holes. Tribology International. 2010;43(8):1353–1359. https://doi.org/10.1016/j.triboint.2010.01.002.

28. Зернин М. В. Проблемы и перспективы построения эффективного конечно-элементного описания течения масла в зазоре опор жидкостного трения с учетом неоднородного распределения температур и деформаций поверхностей // Проблемы трибологии. 1997. № 1. С. 73–78. EDN: UQYQFH.

29. Chang S. H., Chan C. W., Jeng Y. R. Numerical analysis of discharge coefficients in aerostatic bearings with orifice-type restrictors. Tribology International. 2015;90:157–163. https://doi.org/10.1016/j.triboint.2015.04.030.

30. Chen Y. S., Chiu C. C., Cheng Y. D. Influences of operational conditions and geometric parameters on the stiffness of aerostatic journal bearings. Precision Engineering. 2010;34(4):722–734. https://doi.org/10.1016/j.precisioneng.2010.04.001.

31. Рыбкин Н. Н., Зернин М. В., Шилько С. В., Дробыш Т. В. Конечно-элементный анализ упругогидродинамического трения: учет деформаций деталей опор скольжения // Трение и износ. 2021. Т. 42, № 3. С. 254–267. https://doi.org/10.32864/0202-4977-2021-42-3-254-267. EDN: BGXNBN.

32. Брунгардт М. В., Вавилов Д. В., Лукин Р. С. [и др.]. Численное исследование переходных процессов в самоустанавливающейся адаптивной гидростатической опоре // Технология машиностроения. 2016. № 2. С. 49–53. EDN: WAONYB.

33. Wang W., Cheng X., Zhang M. Effect of the deformation of porous materials on the performance of aerostatic bearings by fluid-solid interaction method. Tribology International. 2020;150:106391. https://doi.org/10.1016/j.triboint.2020.106391.

34. Gao Q., Chen W., Lu L. [et al.]. Aerostatic bearings design and analysis with the application to precision engineering: State-of-the-art and future perspectives. Tribology International. 2019;135:1–17. https://doi.org/10.1016/j.triboint.2019.02.020.

35. Gao Q., Lu L., Chen W. [et al.]. A novel modeling method to investigate the performance of aerostatic spindle considering the fluid-structure interactio. Tribology International. 2017;115:461–469. https://doi.org/10.1016/j.triboint.2017.06.016.