65章:エアーベアリングパッドの最適化検討

    作成2012.09.17

  1. 2平面間流れの基礎方程式
     図65-1に示すエアーベアリングパッドの構造において、供給圧力p0はオリフィスを通過することによりp1に変化 し、隙間h1とh2を通って大気(p2)に放出されます。
     まず、r=0からr=r1、隙間h1における2平面間流れの基礎方程式を考えます。
      2平面間流れの基礎方程式は

    (65.1)式において、pは圧力、xは流れの方向の距離、μは粘性係数、qは流速、yは隙間方向距離です。ここで

    とするならば

    となります。(65.3)式の解は


    となります。ここで、y=0とy=hにおいて、粘性流体の流速Uはゼロである条件を入れて積分定数C1とC2を求めます。


    したがって

    となります。半径rでの隙間hを通過する粘性流体の流量Qは

    (65.9)式の積分を実行すると

    (65.10)式を変形して

    h=h1として、 (65.11)式をr0からr1まで積分すると

    同様にh=h2として、 (65.11)式をr1からr2まで積分すると

    となります。



  2. オリフィスによる圧力低下
     オリフィスの実験式は

     で与えられます。εは補正係数でありε=0.9、αは流量係数でありα=0.6、p1=p0 、p2=p1とするならば(58.10)式は下記のようになります。



  3. エアーベアリングパッドの特性式の誘導
     大気圧p2=0として、p1-p1’=0とするならば

    (65.15)式に(65.14)式を代入すると

    (65.16)式は以下のように変形できます。


    エアベアリングパッドの浮上力Fは

    エアベアリングパッドの剛性Sは

    となります。


  4. 計算事例
     以下の条件で計算します。
    比容積:v=8.63E-01(m3/kg)
    比質量:ρ = 1.16E+00 ( kg/m3)
    粘性係数:μ = 1.80E-05 ( Pa・s)
    動粘性係数:ν = 1.55E-05 (m2/s)
    パッド内半径:r1 = 7.00E-02 ( m)
    パッド外半径:r2 = 8.00E-02 ( m)
    供給圧力:p0 = 5.00E+05 ( Pa)
    また、オリフィス半径r0は0.1mmと0.2mmで計算します。

     圧力変化の計算結果を図65-2に示します。

    図65-2からオリフィス半径r0=0.1mmにおいては、浮上量が約5μmで急激に圧力p1が変化することがわかります。

     剛性変化の計算結果を図65-3に示します。

     図65-3から、オリフィス半径r0=0.1mmにおいては、浮上量が約5μmで剛性Sが最大となることがわか ります。この時の剛性は1.5E+09(N/m)であり、浮上量1μmの変化に対して、浮上力が1500N変化します。
     このことから、最適設計されたエアーベアリングは十分な剛性を持つことがわかります。


  5. 空気室での圧力損失
    (65.12)式と(65.13)式を加算すると

    となります。したがって


    であれば、空気室での圧力損失は無視できると考えるべきです。
    計算事例の値を代入すると

    となります。従って浮上量が5μmの場合

    となります。


  6. 流体のまとめ
     流体は身近な物質ですが、流れは複雑であり多くの場合理論解を求めることが困難です。しかし、実用的には重 要であり多くの実験がおこなわれています。実験結果の一部は実験式と実験データの形で公開されていますので 、実験式と実験データを活用することが重要となります。
     理論的には鮮やかさにかけますが、実験式と実験データの活用はさほど難しくはありません。












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