Análise de fatores influenciadores nas características do filme de gás para motores de pressão dinâmicos hemisféricos

Scientific Reports volume 13, Número do artigo: 5860 (2023) Citar este artigo

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O motor de pressão dinâmica hemisférica (HDPM) tem as vantagens de alta velocidade, resistência ao desgaste e estabilidade, que é amplamente utilizado em instrumentos inerciais para produzir o efeito giroscópico. O filme de gás ultrafino entre o estator e o rotor do motor fornece lubrificação por pressão dinâmica e capacidade de rolamento, cujas características dinâmicas determinam o desempenho do motor. No entanto, o mecanismo de influência de alguns fatores-chave, como a distância do centro da bola nas características do filme, não é claro, o que se tornou o gargalo que restringe a melhoria do desempenho dos HDPMs. Portanto, neste trabalho, uma série de modelos de similaridade de filme de gás foram resolvidos sob diferentes parâmetros geométricos e de trabalho, e a lei de influência da distância do centro da bola, deslocamento do rotor e processo de parada nas características aerodinâmicas foi obtida, os resultados mostram que essas características primárias parâmetros têm efeitos significativos na distribuição de pressão, momento de resistência e calor de fricção do filme de gás ultrafino. Este trabalho pode não apenas fornecer uma base teórica para a otimização do desempenho aerodinâmico de HDPMs, mas também servir de referência para o projeto de outros instrumentos aerodinâmicos.

A dinâmica hemisférica é um campo científico avançado, que desempenha um papel importante em algumas aplicações, como giroscópios ressonadores hemisféricos (HRGs)1,2 e motores de pressão dinâmica hemisférica (HDPMs)3,4. Xu et al. têm muito envolvimento em HRGs, eles propuseram um método de modelagem para o sistema de loop totalmente fechado do giroscópio ressonador hemisférico e um novo modelo dinâmico de um ressonador hemisférico imperfeito1,2. Com as vantagens de alta velocidade, resistência ao desgaste e estabilidade, o HDPM (Fig. 1) é amplamente utilizado em instrumentos giroscópicos de alta precisão para produzir efeito giroscópico5,6. Quando o HDPM funciona, o enrolamento do estator gera excitação, que faz com que o rotor esférico gire em alta velocidade. O gás é bombeado para a folga através da tigela da esfera ou da ranhura em espiral gravada no hemisfério para formar um filme de gás para realizar a lubrificação por pressão dinâmica. A folga entre o hemisfério e o bojo afeta diretamente o desempenho da lubrificação hidrodinâmica do motor, por isso geralmente é necessário selecioná-lo e combiná-lo razoavelmente7,8,9. Para um determinado tamanho do hemisfério e da tigela da bola, a folga necessária pode ser obtida ajustando a distância do centro da bola entre eles durante a montagem. Niu et al. apresentar requisitos para seleção de folga a partir da perspectiva das características de contato durante a partida e parada do motor10. No entanto, não há nenhum relatório de pesquisa especial sobre as características e regras de variação da rigidez do filme de gás, torque de resistência e calor de fricção do filme de gás sob diferentes distâncias do centro da esfera.

Diagrama esquemático do motor hemisférico de pressão dinâmica.

Em condições normais de trabalho, o bojo terá um leve deslocamento do rotor hemisférico para o efeito da gravidade, e o desempenho do filme de gás das extremidades esquerda e direita ou dos lados superior e inferior da mesma extremidade (Fig. 1) será diferentes, o que pode afetar a temperatura do motor e a precisão do instrumento. Quando o motor liga ou desliga, devido às características de pressão dinâmica do gás, a folga entre o hemisfério e a tigela da bola mudará com a velocidade de rotação. A obtenção da folga correspondente do motor em diferentes velocidades é de grande importância para analisar o desempenho de partida e parada do motor de pressão dinâmica.

No trabalho de pesquisa anterior11, em vista das características da estrutura em escala cruzada do filme de gás ultrafino, combinamos a teoria da similaridade com o método CFD e propusemos um método para aumentar a espessura do filme, mantendo o estado físico de o filme de gás. Com base nessa teoria, um modelo de similaridade de filme de gás foi estabelecido e as características dinâmicas do filme de gás foram simplesmente analisadas sob a condição de que a estrutura do motor e os parâmetros de trabalho fossem fixos. Para fornecer uma referência prática para o projeto e otimização de HDPMs, este artigo realizou uma pesquisa mais aprofundada com base no trabalho anterior, que revelou a influência de alguns fatores-chave, como a distância do centro da bola e o processo de parada nas características do filme de gás .