空间热泵压缩机的径向气浮轴承静态特性研究

针对应用于空间热泵系统的气浮轴承技术,将以氟利昂为润滑工质的径向气浮轴承作为研究对象,采用数值模拟的方法研究了几何条件(平均轴承间隙与节流孔直径)、工作状态(偏心率与进口压力)以及润滑工质(空气、R22、R134a)变化对径向气浮轴承的静承载力、质量流量等特性的影响。结果表明,节流孔直径确定时,径向气浮轴承的静承载力存在极大值,对应的最佳平均轴承间隙随节流孔直径以及润滑工质变化,最大静承载力也随之变化。进气压力确定时,静承载力随偏心率增大而增大,但是存在一个最佳的偏心率,使轴承静刚度最大。     

微重力下热泵压缩机承载与润滑技术研究

针对空间微重力下热泵压缩机的承载与润滑,提出了基于气浮轴承的承载与润滑方案,对气浮轴承的静态特性进行了数值仿真分析,并建立了高速气浮轴承试验系统,获取了高速气浮轴承的静态和动态承载特性。证明了所提出的气浮轴承以氟利昂工质可实现高速稳定运行。     

箔片摩擦对波箔型径向气体轴承静刚度和悬浮转速影响实验

加工制造了两个不同轴承壳体圆柱孔内表面的表面粗糙度的波箔型径向气体轴承.在建立的波箔型径向气体轴承性能测试实验台上对预紧状态下两个波箔型径向气体轴承进行了静刚度测试实验,并利用摩擦力矩法测量了波箔型径向气体轴承的悬浮转速,通过对比两个轴承的实验结果分析了波纹箔片和轴承壳体之间的摩擦效应对轴承静刚度和悬浮转速的影响.结果表明:降低轴承壳体圆柱孔内表面的表面粗糙度能够减弱波纹箔片和轴承壳体之间的摩擦,减小了轴承静刚度,进而在轴承载荷相同的条件下有效降低了波箔型径向气体轴承的悬浮转速,减少了轴承表面磨损,对轴承结构设计和提高轴承寿命具有工程指导意义.此外,波箔型径向气体轴承的静刚度并不是线性的,而是随着箔片变形量的增大而增大,因此有必要在波箔型径向气体轴承理论建模时考虑箔片结构刚度的非线性特性.      

箔片结构库伦摩擦效应对径向箔片轴承特性的影响

基于有限元法建立波箔型气体径向轴承箔片结构的库伦摩擦模型,通过改变平箔片与波纹箔片之间以及波纹箔片与轴承座之间的摩擦因数,对比分析了在各种载荷分布条件下波纹箔片库伦摩擦模型与文献中线性弹簧模型的刚度特性,研究了库伦摩擦效应对波纹箔片刚度特性的影响规律.在此基础上,运用有限单元法和有限差分法求解雷诺方程和气膜厚度方程,研究了在两个工作转速下气体波箔片轴承中截面处最小气膜厚度随轴承承载力的变化规律以及承载力随偏心率的变化规律.通过数值仿真对该模型、文献中线性弹簧模型和刚性表面气体轴承进行对比分析,并把气膜厚度分布与文献结果进行了对比.结果表明:箔片的库伦摩擦力在一定程度上增大了波纹箔片的刚度,并且随着摩擦因数的增大其刚度以及两端固定的波纹箔片个数也增加,使得箔片轴承表面变“刚”,因此轴承静特性更趋于刚性表面轴承,此外当轴承承载力一定时,箔片摩擦因数越大轴承的最小气膜厚度越小.      

节流孔数对空间热泵径向气体轴承承载特性影响分析

针对应用于空间热泵系统的径向气体轴承承载力偏小的问题,采用数值模拟的方法对不同节流孔数的径向气体轴承进行了建模仿真,分别得到了不同工质以及不同工作状态下径向气体轴承的承载性能。结果表明:低转速(n80 000 r/min)工况下,单排节流孔数大,径向气体轴承的承载性能更好;在高转速(n≥80 000 r/min)工况下,单排节流孔数小,径向气体轴承的承载性能更好;增加单排节流孔数,会增加气体轴承所需的质量流量。     

气体静压止推轴承静动态性能及振动抑制

为探讨抑制气体轴承自激振动的新手段,研究了圆盘形单个小孔节流的气体静压止推轴承振动问题。通过两平行圆盘间的气体流动方程,推导建立了气体轴承静动态特性分析模型。通过数值分析的方法,研究并总结了供气压力和气膜厚度对气体轴承静态承载力、静态气体质量流量、静动态刚度以及动态阻尼的影响,计算得到了一系列气体轴承静动态特性变化曲线。然后针对系统出现负阻尼情况,通过引入非线性能量阱(NES)来抑制自激振动的问题。研究结果表明,提高供气压力可以有效地提高气体轴承的静态性能;气体轴承的自激振动主要源于气膜挤压的负阻尼特性;同时,当NES的阻尼超过临界阻尼时,可以使系统的振动得到有效的抑制。     

边界滑移对波箔型动压气体轴承静特性的影响

为获得流固边界滑移状态对动压轴承性能的影响,以波箔型动压气体轴承为研究对象,建立极限切应力模型下不同滑移状态的气膜压力及厚度方程,利用差分迭代法耦合求解,分析不同边界滑移状态时轴承静特性随滑移相关参数的变化规律。研究结果表明:与无滑移状态相比,轴面侧滑移对轴承静特性不利,箔片侧滑移对轴承静特性有利,滑移对承载力额最大影响幅度可达20%,对偏位角的最大影响幅度可达10°;两侧均存在滑移时轴承静特性下降,影响幅度小于前两者。当轴承转速、偏心率以及润滑气体动力粘度增大时或者轴承间隙减小时,均会使滑移对承载力的影响增大、对偏位角的影响减小。     

润滑气体及箔片材料对气体动压轴承动特性影响分析

为研究润滑气体和弹性箔片材料特性对波箔型气体动压轴承动特性的影响,以Hydresil型波箔气体动压轴承为研究对象,建立气体流动控制方程和波箔弹性变形模型,通过有限差分法求解扰动方程获得动特性系数。数值分析了润滑气体动力粘度(4.2×1064.6×105·s、轴承波箔片材料泊松比(0.150.45和弹性模量(70340GPa对动特性系数的影响规律。结果表明,在偏心率和转速相同情况下,随气体动力粘度升高,动态刚度系数逐渐增大,且主刚度方向增大最为明显,最大可超过50%动态阻尼系数也增大,且x方向增大最为明显,最大可达60%随轴承箔片材料弹性模量的增大,动态刚度系数不断增大,动态阻尼系数在y方向上逐渐增大,在x方向上逐渐减小;轴承箔片材料泊松比对动特性系数影响较小。     

混合式动压气体轴承结构优化与可靠性分析

通过将径向、止推螺旋槽动压气体轴承相结合,建立了混合式动压气体轴承的润滑分析模型。阐述了其结构特点与润滑机理,建立轴承无量纲稳态Reynolds控制方程。提出混合式动压气膜压力耦合计算方法,推导气膜压力差分表达式,定义边界条件,构建气膜压力分布的数值计算方法。以最大径向承载力为目标优化结构参数。基于最优结构参数建立轴承气膜有限元模型,运用CFD分析轴承转子系统受不同冲击载荷时径向稳定性变化规律,研究混合式动压气体轴承动态特性与可靠性。搭建混合式动压气体轴承试验台,验证数值计算方法和有限元仿真分析的正确性。结果表明:提出的压力耦合计算方法可以准确地计算分析稳态气膜压力分布、承载力和承载性能,有限元仿真能更好地模拟动态流场变化,计算分析动态承载力、动态特性系数和稳定性。高转速下混合式气体轴承承载力、稳定性较好,对单向阶跃力、单向矩形力的抗冲击能力强,可靠性强。混合式动压气体轴承在优化承载性能与刚度的同时,应考虑抗冲击特性和稳定性以提高轴承的综合性能。      

基于库伦摩擦效应的箔片轴承极限承载力理论与试验

基于有限单元法建立了考虑库伦摩擦的波箔型径向气体箔片轴承的箔片结构模型,采用有限差分法和有限单元法耦合求解Reynolds方程和气膜厚度方程,通过求解轴颈达到极限偏心率时的轴承极限承载力,研究了箔片结构库伦摩擦效应对轴承极限承载力的影响规律,并搭建了轴承极限承载力测试试验台,利用温度法测量了两个具有不同轴承壳内表面粗糙度的波箔型径向气体箔片轴承的轴承极限承载力.通过对比分析仿真结果与试验结果表明:轴承壳圆柱孔内表面粗糙度为0.4μm的轴承在10000r/min和20000r/min下,轴承极限承载力分别为15.5N和42.3N;而表面粗糙度为1.6μm的轴承极限承载力为10.9N和29.6N,这是由于波纹箔片和轴承壳体之间的库伦摩擦力增大了波纹箔片的刚度,因此增大箔片结构摩擦因数使得轴承极限承载力降低,并且仿真结果变化趋势和试验结果变化趋势吻合.      

径向间隙及加工工艺对气体箔片轴承性能的影响

为了分析轴承的加工工艺和径向间隙对轴承静态、动态性能的影响,设计搭建了静态、动态实验台,利用改变轴颈尺寸的方法研究不同径向间隙对气体箔片轴承(GFB)静态性能和动态性能的影响,还分别研究了不同波箔弹性结构、不同箔片材料和不同波箔热处理方式等因素对轴承性能的影响.结果表明:随着径向间隙减小,气体箔片轴承静刚度及其动态结构刚度增大,其等效黏性阻尼随着径向间隙的减小,出现先增大后减小的趋势.在工艺上箔片材料及波箔弹性结构对轴承性能的影响起重要作用.     

基于有限元的超精密空气静压主轴最佳综合刚度设计

超精密空气主轴的刚度是超精密主轴的一个非常重要的指标,轴承的结构形式、气膜结构参数均对刚度指标有影响。本文通过工程计算得到气膜刚度等参数后,在特定空间尺寸和重量的限制条件下,基于有限元进行Nanosys-600F五轴超精密机床的气浮主轴(C轴)机械结构设计,通过多次分析,得到了气浮主轴(C轴)最佳综合刚度结构参数。     

基于CFD开槽静压气体球轴承轴向承载性能分析

为提高精密机床主轴支撑的承载能力,增强机床的工作性能,以静压气体球轴承为研究对象,通过开设不同形式的纬线槽和经线槽,运用CFD理论对径向和轴向复合偏心下轴承的轴向承载性能进行了研究,并分析了轴承轴向承载力与纬线槽和经线槽几何尺寸的关系。研究发现:纬线槽可实现轴承间隙内的压力均化作用,降低压力下降速度,改善轴向承载性能;经线槽通过压力均化和动压效应,增大气膜流场压力,提高轴承承载力和刚度;轴承的轴向承载力受纬线槽槽宽和经线槽槽深影响较大,一定范围内增大纬线槽槽宽或经线槽槽深可以较快提高轴向承载力。纬线槽和经线槽的开设形式及几何尺寸对静压气体球轴承轴向承载性能的影响研究为气体轴承的重载应用提供参考。     

厚顶箔的箔片动压轴承性能的数值研究

提出了一种具有厚顶箔特征的箔片动压轴承(TTF-GJFB),并对其进行了建模及分析。针对这种型轴承,采用Newton-Raphson迭代法求解静态气膜雷诺润滑方程和箔片受力方程;采用折合系数法和小扰动法,推导了厚顶箔轴承的动态刚度系数与动态阻尼系数。以此为基础,对厚顶箔轴承和传统箔片轴承进行了对比,并对初始轴承间隙、波箔宽度、顶箔质量对厚顶箔轴承动静态特性的影响进行了研究。结果表明:厚顶箔轴承比传统箔片轴承拥有较大的承载力及偏位角,承载力增幅至少为23%;厚顶箔轴承的动态特性与传统箔片轴承有较大差异;厚顶箔轴承的初始间隙会影响偏位角和承载力,小初始间隙在所有偏心率范围内可以提高承载力和减小偏位角;波箔宽度对轴承静态特性的影响较小,但对动态特性的影响较大,在中低激振比范围内,动态系数基本随着箔片宽度的变窄而变小;厚顶箔的质量会在高激振比下对轴承的动态特性产生影响,使得动态刚度系数上升,动态阻尼系数下降。     

不同工况下表面粗糙度对水润滑轴承启动性能的影响

为研究水润滑轴承的瞬态启动过程,联立瞬态压力场、温度场控制方程及主轴运动方程,构建水润滑轴承瞬态启动模型,从主轴运动、润滑性能及轴承温度等方面,分析不同表面粗糙峰高度（1 μm,2 μm及4 μm）下的水润滑轴承启动性能参数变化规律。结果表明：在轴承启动初期主轴发生强烈的瞬间振动,导致膜厚、压力、承载力、摩擦系数等主要参数发生瞬间急剧变化,且主轴振动随表面粗糙峰高度的增大而更加强烈;降低粗糙峰高度可促进水膜承载,使固体接触压力、接触承载力和摩擦系数降低,但最小膜厚也会随之减小;轴承运行中存在某一个转速使得轴承温度达到最高值,而随着粗糙峰高度的增加,该最高温度值及其对应的主轴转速均随之增大,这会加剧轴承高温失效风险。     

用于微型涡轮机的节流孔式静压气浮轴承实验

对用于厘米级微型涡轮发动机的径向静压气浮轴承展开了实验研究,分析了长径比、节流孔径、气膜间隙及供气压力等对承载力、刚度和耗气量的影响.提出了这些设计参数的优选方法,并结合直径11 cm的某微型喷气发动机,给出了与之匹配的径向静压气浮轴承设计方案:工作面直径15 mm、长度17.5 mm、节流孔径0.35 mm、气膜间隙25μm.此方案在供气绝对压力2.5 kPa时,双轴承支撑能力为13.72 N,耗气量小于1.0 g/s,有效地满足了微型涡轮发动机要求.      

气固热耦合对微尺度气浮轴承微振动的影响

基于气体润滑理论和稀薄气体动力学,结合边界滑移和气固热耦合分析技术,研究考虑温度影响引起的气浮轴承气膜局部变形问题对气旋与微振动的影响。研究结果表明:气膜的最大形变量随温度升高呈线性增长;考虑热耦合的气旋移动速度要明显小于传统数值分析方法所得结果,且耦合条件下不同工作温度对气浮轴承微振动的影响也不相同;结合实验可得,随温度的升高,微振动强度逐渐降低,但温度升高并不改变其固有频率;不同气体环境影响着气旋的移动速度和微振动强度,其中分子数大小起主要影响作用。实际工作过程中应充分考虑环境因素带来的影响以减小微振动。      

球面螺旋槽动静压气体轴承的动态特性分析及稳定性预测

以球面螺旋槽动静压气体轴承为研究对象，建立以轴心瞬时位置和瞬时变位速度为参数，球面螺旋槽动静压气体轴承的非线性动态润滑分析计算数学模型.采用导数积分法和有限差分法相结合，数值计算出三维气膜的瞬态扰动压力分布、气膜刚度和阻尼系数.研究转速、偏心率及供气压力对气膜动态特性系数的影响规律.研究结果表明:随着供气压力、转速以及偏心率的增大，气膜刚度和阻尼系数均有不同程度的变化.建立球面螺旋槽动静压气体轴承转子系统稳定性预测模型，根据劳斯稳定性判据预测轴承的稳定性，并将稳定性与主动控制轴承运行时的刚度和阻尼相关联，为遏制轴承失稳提供理论基础.      

考虑稀薄气体效应的止推箔片轴承静特性分析

以波箔型气体止推箔片轴承为研究对象,基于1阶滑移速度边界条件,建立了考虑稀薄气体系数的修正雷诺方程.结合Newton-Raphson迭代法和有限差分法,耦合求解Reynolds方程和润滑膜厚度方程,仿真获得了止推箔片轴承的轴向承载力、起飞转速等静态性能,并研究了稀薄气体效应和轴承结构参数对止推箔片轴承静态特性的影响.结果表明:稀薄气体效应将使止推箔片轴承的轴向承载力减小,起飞转速增大,且稀薄气体效应的影响随轴承工作转速、箔片变形柔度系数的提高有所减弱;止推箔片轴承的安装间隙小于10μm时,起飞转速随安装间隙的减小急剧增大,因而在止推箔片轴承装配时须严格控制轴向间隙.      

重载下可倾瓦推力轴承的热弹流润滑特性分析

建立了可倾瓦推力轴承的热弹流润滑（TEHD）模型,应用Newton-Raphson迭代法求解,研究了弹性变形、热变形和载荷对油膜静动态特性的影响。结果表明:弹性变形会减弱油膜动压效应,而热变形会增强油膜动压效应;随外载荷增大热变形对轴承静动态特性的影响逐渐减弱而弹性变形的影响更加显著,重载条件下弹性变形的影响更为敏感。考虑轴承材料抗压性能和抗高温性能对可倾瓦推力轴承静动态特性的影响,对优化推力轴承设计、保证其稳定性和安全性具有重要意义。