永磁电磁轴承产生悬浮力的机理研究

对永磁偏置的主动磁悬浮轴承 (永磁电磁轴承 )产生悬浮力的机理进行了研究,导出了永磁磁通与电磁磁通同时作用时永磁电磁轴承的磁路基本方程及吸力方程,说明了永磁参数对永磁电磁轴承承载能力及刚度系数的影响。结果表明 :当偏置磁通大于饱和磁通的一半时,实际承载能力为最大;增大永磁内部磁动势可以提高轴承的承载力、稳定性及减小功放损耗。     

电磁轴承失效后航空发动机转子跌落动力学分析

为研究航空发动机用主动电磁轴承失效后,发动机转子跌落在辅助轴承上对轴承、轴承座乃至整个发动机造成的冲击,建立了转子跌落及碰撞的力学模型。以模拟转子为研究对象,通过有限元法及Newmark-Beta法求解了模拟转子跌落及碰撞方程。计算结果表明:转子高速跌落时,转动动能若无法有效消减,转子将在轴承内圈长时间涡动,导致轴承内圈表面产生极大的接触应力及变形;辅助轴承的支撑刚度有降低振幅的作用,支撑阻尼有消减振动能量的作用。实际应用时,选择适中的辅助轴承支撑刚度和较大的支撑阻尼,通过两者相匹配可有效减小转子跌落对发动机机体的冲击,同时快速降低跌落冲击造成的振动。     

电磁轴承失效后的航空发动机转子跌落动力学

<正>主动电磁轴承(AMB)是一种使用电磁力悬浮转子的新型轴承,具有无摩擦损耗、转速高、无需润滑、寿命长等优点,近年来在航空航天等行业中得到广泛应用。由于电磁吸力固有的不稳定性和电磁轴承承受过载能力的不足,实际应用中电磁轴承需配合辅助轴承使用。在电磁轴承失效后,辅助轴承将临时承担起支撑     

一种用于电磁轴承特性可控的弹性备用轴承

 为了提高电磁轴承备用轴承的性能,基于动力特性可控的径向电涡流阻尼器、弹性支撑以及滚动型或衬套型备用轴承提出了一种动力特性可控的弹性备用轴承新结构。介绍了这种新型备用轴承的结构和工作原理,在不同的转速和转子不平衡量下测量了电磁轴承失效后转子坠落在新型弹性备用轴承上的瞬态响应,分析了新型备用轴承对转子坠落在备用轴承上的瞬态冲击响应的抑制作用。结果表明：这种新型弹性备用轴承不仅具有结构简单、无工作介质、动力特性易于进行控制等特点,而且还能够显著减小电磁轴承失效后转子坠落在备用轴承上的瞬态冲击响应,使转子的振动很快得以衰减,减小了转子对备用轴承的冲击作用,是一种具有良好发展和应用前景的主动电磁轴承备用轴承结构。     

航空发动机双转子系统的随机激励响应分析

针对航空发动机双转子系统受到一些无法预测的激励产生随机振动的现象,建立了不平衡双转子系统在随机激励作用下的运动方程。运用虚拟激励法,计算双转子系统在随机力下的位移响应功率谱密度,对其结构动力特性进行了研究。研究表明,当中介轴承刚度系数增大时,系统的固有频率增大并趋于定值。此时,外随机力引起的位移响应谱密度峰值减小并趋于无穷小值,而系统耦合作用引起的位移响应谱密度峰值先上升后减小,并在某个刚度值后,趋于无穷小值。根据研究结果提出了一些预防航空发动机双转子随机振动危害的措施。     

基础横向振动对电磁轴承转子系统动力特性影响的实验研究

从实验上研究了电磁轴承基础的横向振动对电磁轴承转子系统动力特性的影响。结果表明电磁轴承的控制器对电磁轴承基础横向振动的抑制能力是非常有限的,在控制器的设计过程中必须考虑基础振动的影响,否则较大的基础振动会使电磁轴承系统不能稳定地工作,甚至失去支撑转子的能力。     

保护轴承系统中弹性环不同安装位置对转子跌落后动力学响应的影响

针对磁悬浮轴承系统中通常需要一套保护轴承作为磁悬浮轴承失效后转子的临时支撑,转子跌落后将产生的巨大冲击和振动这一问题,提出将弹性环分别安装于转子和保护轴承外圈两种不同位置来缓冲转子跌落所带来的冲击和振动.针对两种位置建立转子跌落的动力学模型,并对所建立的模型进行数值仿真计算,主要分析对比了安装位置不同对转子跌落后碰撞力、轴心轨迹和保护轴承内圈转速的影响.在理论分析的基础上,进行了相应的试验研究.仿真和试验结果表明:将弹性环安装于转子上更能有效地减小转子跌落后的振动幅度和冲击力.      

高维局部非线性转子-轴承动力系统的稳定性和分岔

采用模态缩减方法对具有非解析轴承的高维局部非线性转子系统进行自由度降阶。提出基于变分不等方程的有限元互补解的的数值方法,在几乎不增加计算量的情况下,使得实际轴承油膜力的Jacobian矩阵可与油膜力自身计算同时完成,并取得协调一致的精度。结合打靶法和Floquet理论对实际转子-轴承系统的非线性不平衡响应及其分岔行为进行计算分析,数值结果表明,所提出的方法不仅极大地降低了计算量,而且具有足够高的精度。     

静压气体轴承气膜力及其与转子耦合动力学特性研究

针对静压气体轴承,进行三维实体建模,采用供气孔区域非结构化网格和非供气孔区域结构化网格相结合的网格划分方法;采用基于有限体积法的计算流体动力学(CFD)商业软件对三维稳态可压缩气体Navier-Stokes(N-S)方程进行求解;根据计算结果,通过数据拟合获得了考虑转子偏心和转速的静压气体轴承气膜支承力模型.基于有限元法建立了气体轴承-转子系统动力学模型,采用Newmark逐步积分法求解了系统的临界转速和不平衡响应.在此基础上进行实验测试,验证了数值仿真结果.研究结果表明:低速、小偏心下,气膜主支承力随偏心呈近似线性变化;高速、大偏心下,气膜主支承力急剧增大,气体轴承的动压效应显著增强;气膜x,y向耦合支承力随转速和偏心呈非线性变化;转子系统一、二阶临界转速对当前结构刚度变化比较敏感,而三阶临界转速对此不敏感.因此,气体轴承气膜支承力的非线性特性及其与转子耦合动力学特性较为复杂,在对气体轴承进行结构设计时,应充分考虑其与转子的耦合,合理设计工作转速范围.      

主动电磁轴承失效后柔性转子坠落在备用轴承上的瞬态响应实验研究

测量了主动电磁轴承支承的柔性转子系统在主动电磁轴承失效后转子坠落在带有固定间隙滚动型备用轴承上的瞬态响应,分析了转子的工作转速、转子不平衡量以及备用轴承碰撞面上的润滑条件等对转子瞬态响应的影响。结果表明,大多数情况下在主动电磁轴承失效后转子系统出现了在间隙圆底部的摆动以及在整个间隙圆范围内的碰撞型回转运动。主动电磁轴承失效后转子系统瞬态响应的大小与转子在电磁轴承失效前的振动、转子的工作转速以及备用轴承碰撞面上的润滑条件等密切相关。通过适当改变备用轴承碰撞面上的润滑状态,可以有效地控制电磁轴承失效后转子系统瞬态响应的大小,降低电磁轴承失效后转子在整个间隙圆范围内的碰撞型回转运动以及全间隙圆范围内的摩擦型回转运动的可能性,从而减小碰撞对转子及其备用轴承的影响。     

电磁轴承在航空发动机应用中设计问题分析

电磁轴承实现了依靠电磁力使转子非接触地“支承”于轴承体内的目的,并具有运动阻力小、无接触摩擦和磨损、功耗低以及寿命长等优点,是磁悬浮原理在机械领域中的应用实例。航空发动机是电磁轴承的主要应用领域之一。介绍电磁轴承及其系统的特点和电磁轴承的一般设计准则、常用技术指标以及在航空发动机中应用电磁轴承的部分设计问题及解决的方法。     

径向磁气组合轴承系统的动态性能

为探究磁轴承失效时能否减轻转子跌落带来的损害,将人字槽径向动压气体轴承引入磁轴承转子系统,研究磁气组合轴承对系统动态性能的影响和动压气体轴承的支承特性。采用有限差分法和小扰动法求解气膜厚度方程和雷诺方程,研究动压气体轴承的静动态特性。对磁轴承电磁力进行了分析,采用磁轴承不完全微分PID（比例-积分-微分）控制策略,对系统进行了理论模态分析和试验模态分析,完成了系统高速旋转试验,测试了动压气体轴承在不同偏心率和转速下的承载力。结果表明,引入动压气体轴承可提高系统的动态性能,在磁轴承失效造成高速转子跌落瞬间,偏心率趋近于1,两个径向动压气体轴承能够产生较大承载力,减轻转子跌落造成的损害。      

带有弹性减振器的磁悬浮转子跌落的动力学分析

为了防止磁悬浮轴承失效后高速旋转转子损坏磁悬浮轴承系统,主动磁悬浮轴承还需要保护轴承对转子起到临时支承作用。针对磁悬浮轴承失效后转子跌落在保护轴承上产生的振动与冲击,设计了1种在转子上安装弹性减振器的结构,运用动力学仿真软件ADAMS对转子-弹性减振器-保护轴承进行了动力学仿真,并进行了试验验证。结果表明:弹性减振器结构可明显减少轴承内圈所受的冲击。     

Nonlinear Dynamics Behaviors of a Rotor Roller Bearing System with Radial Clearances and Waviness Considered

A rotor system supported by roller beatings displays very complicated nonlinear behaviors due to nonlinear Hertzian contact forces, radial clearances and bearing waviness. This paper presents nonlinear bearing forces of a roller bearing under four-dimensional loads and establishes 4-DOF dynamics equations of a rotor roller bearing system. The methods of Newmark-β and of Newton-Laphson are used to solve the nonlinear equations. The dynamics behaviors of a rigid rotor system are studied through the bifurcation, the Poincar è maps, the spectrum diagrams and the axis orbit of responses of the system. The results show that the system is liable to undergo instability caused by the quasi-periodic bifurcation, the periodic-doubling bifurcation and chaos routes as the rotational speed increases. Clearances, outer race waviness, inner race waviness, roller waviness, damping, radial forces and unbalanced forces-all these bring a significant influence to bear on the system stability. As the clearance increases, the dynamics behaviors become complicated with the number and the scale of instable regions becoming larger. The vibration frequencies induced by the roller bearing waviness and the orders of the waviness might cause severe vibrations. The system is able to eliminate non-periodic vibration by reasonable choice and optimization of the parameters.     

低损耗磁悬浮电主轴的动态性能

通过引入同极型径向主动磁悬浮轴承（AMB）和轴向永磁轴承（PMB）建立了低损耗磁悬浮电主轴试验装置,给出了主要设计过程和结构参数,分析了磁悬浮电主轴的动态性能,并通过系统的高速旋转试验进行了验证.研究结果表明:该试验装置结构简单,功耗较小,能够平稳越过前2阶临界转速并在40000r/min稳定运行,最大振幅为7μm.      

同极型结构和零偏置电流控制对磁悬浮轴承损耗影响的试验分析

设计了性能参数相同的同极型和异极型径向磁悬浮轴承并应用于磁悬浮轴承转子试验系统,同时在轴向自由度分别采用有偏置和零偏置电流控制方式,通过试验系统的自由降速试验分析了不同径向磁悬浮轴承结构和轴向电流控制方式对支承损耗的影响.结果表明,同时采用径向同极型结构和轴向零偏置电流控制方式能有效减少磁悬浮轴承的能量损失,对提高伞电...     

圆柱滚子中介轴承拟静力学分析

航空燃气涡轮发动机为了提高性能经常采用中介轴承.中介轴承对发动机转子系统的动力特性的影响很大,但国内外对中介轴承动力学特性的研究却很少.本文采用拟静力学法,通过分析圆柱滚子中介轴承的运动关系和受载情况,建立了相应的计算模型.本文应用所建立的模型,计算了圆柱滚子中介轴承的动力学特性,并将计算得到的滚子打滑率与试验结果进行了比较.在此基础上,进一步对内外圈反向旋转,且内圈与高压转子联接、外圈与低压转子联接的中介轴承进行了分析,研究了保持架转速、滚子自转转速以及滚子与保持架的接触力随径向载荷变化的关系.研究结果表明,随着径向载荷的增加,保持架转速、滚子自转转速以及滚子与保持架的接触力均增大.     

磁悬浮飞轮转子系统的现场动平衡方法

针对磁悬浮飞轮的转子平衡后转动效果不理想、转子平衡过程复杂等问题,提出了一种基于磁轴承系统特性的现场动平衡检测方法。该方法通过考虑电磁力的影响,进行转子系统的整体动平衡,而非转子本身的动平衡。通过分别检测转子平动的最大位移和相位、转子转动的最大位移和相位,分别得到等效力/力偶不平衡质量的大小和相位,实现了整体不平衡量的现场检测和飞轮转子系统的高精度平衡。试验结果表明,该方法能有效提高飞轮转子系统的平衡精度,转子的跳动量、磁轴承的控制电流以及飞轮轮体的振动量显著减小。