载荷分布对空气静压轴承振动特性的实验

针对空气静压轴承涡激振动问题，以圆盘型小孔节流空气静压轴承为研究对象，基于涡流激振原理和振荡流体力学理论，分析了气膜的动态特性和流体激振稳定性；采用平面流函数分析了三维气旋涡量分布特征；最后利用实验测试及理论研究相结合的方法分析了载荷分布对气浮轴承微振动特性的影响规律。研究发现：空气静压轴承的微振动本质上是气膜流场内的非定常流动引起的涡旋和壁面之间的耦合作用，即压力脉动和涡量分布决定的。轴承表面的载荷分布情况直接决定气膜高度方向的压力梯度和能量转化趋势；供气压力和气膜厚度的改变直接影响气膜内总能量输入和流动过程中能量损耗及转化形式。     

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。      

尺度效应下均压槽结构对空气静压轴承自激振动的影响

空气静压轴承表面的均压槽结构能有效提高轴承的承载特性,但气膜内由于湍动能变化引发流场振动,形成非线性的自激涡振,影响系统的动态稳定性。为了提高空气轴承的稳定性,基于静压气体润滑理论和稀薄气体动力学基本原理,建立空气静压轴承的气膜流场数学模型;通过数值模拟和实验测试相结合,分析了直槽、环槽、复合均压槽在不同均压槽截面形状时对轴承气膜流场和气旋涡量的影响;通过时域和频域实验,明确了不同供气压力和气膜厚度下,均压槽结构对空气静压轴承自激微振动的影响规律。研究表明：均压槽结构能有效提高空气轴承的动态稳定性;环槽能有效串通弧槽和直槽之间的压力脉动,添加环槽结构后轴承微振动幅值降低37.5%;三角形截面均压槽能有效抑制气膜内气旋涡动的产生,添加三角形截面均压槽后轴承微振动幅值降低60%。     

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.      

轴承供气压力对静压气体轴承-转子系统动力学特性影响的实验

为了研究轴承供气压力对气体轴承-转子系统动力学特性的影响,在静压气体轴承支承的压气机与透平同轴结构的涡轮膨胀制冷机试验台上,开展了相应的试验研究。采用分岔图、轴心轨迹、频谱分析等振动测试分析方法,分析了供气压力对临界转速和低频特性的影响。实验结果表明:轴承供气压力为0.80MPa,转子在26000r/min时未出现半速涡动;轴承供气压力为0.75MPa,转子在50000r/min时的低频振动幅值仅为工频振动幅值的5%,远小于相同转速时0.80MPa下的相对值(低频振动幅值与工频振动幅值的比值为34.89%)。因此,供气压力的增大带来气膜直接刚度的增加,能够消除气膜的半速涡动;供气压力的降低带来气膜阻尼比的增加,能够抑制气膜振荡的幅值。     

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。     

硅基超短微转子系统动力学分析和 不平衡量试验测量方法研究

以基于微型静压气体轴承系统支承的硅基超短微转子为研究对象,充分考虑微尺度下稀薄气体效应的影响,建立了微型静压径向气体轴承的气体动力学模型。开展了不平衡量影响下的微转子-气体轴承系统动力学的建模和动力特性研究,分析并掌握了微转子不平衡量与微转子动力学响应、微型静压气体轴承供气特性之间的内在联系,提出了一种基于共振原理和反推原理的超短微转子不平衡量分析和测量方法,解决了常规不平衡量测量方法中存在的传感器安装和环境振动干扰等问题。     

小孔节流气体静压球轴承动静压混合润滑承载性能分析

针对一种小孔节流多孔供气闭式结构的高速静压球轴承,采用有限元方法,分析了动静压混合润滑承载性能,得到气膜上的压力分布规律。在此基础上,求解并分析了转子旋转速度以及轴承设计气膜间隙、供气压力等对径向和轴向承载能力、刚度、润滑姿态角的影响规律,并比较了动静压混合润滑和纯静压润滑的不同。     

旋转冲压发动机高速动静混合气体轴承性能分析

为了满足旋转冲压发动机对高速支撑的要求,本文对动静压混合高速气体轴承进行理论分析与数值研究。首先通过旋转冲压发动机的工作条件确定了气体轴承的供气压力,对描述轴承内气体流动的雷诺方程采用牛顿迭代与有限差分法进行求解,获得不同偏心、不同转速下轴承内气体压力分布并分析动静压耦合机理。同时分析了不同供气孔排数对压力分布与承载能力的影响,给出了不同转速、不同供气孔排数下轴承所能支撑的最大转子重量,为下一步旋转冲压发动机转子系统设计奠定基础。     

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.      

KDP晶体超精密加工机床静压主轴轴向变形分析

通过建立KDP晶体超精密加工机床气体静压主轴的三维有限元模型,在考虑主轴装配的接触关系和螺钉预紧力的情况下,计算得到了主轴结构在工作状态下的变形.计算结果表明,由于结合面和主轴受拉伸长,轴承气膜间隙增大;气体压力导致止推板从中心到边缘发生翘曲变形,止推轴承的气膜为楔形.实验结果表明,有限元模型的计算误差小于11%.     

外激振动条件下气体减压器工作稳定性仿真研究

为研究运载火箭增压系统中减压器在外激振动条件下的工作稳定性,在减压器模型中通过壳体位移坐标引入振动激励源,建立了可模拟减压器在外激振动条件下工作过程的计算模型,对外激随机振动条件下增压系统动态工作过程进行了仿真.针对仿真发现的减压器下游压力振荡的不稳定现象,对减压器下游不同管路尺寸和减压器不同参数下的系统工作过程进行了对比计算.计算结果显示:增大减压器下游管路尺寸，减小减压器阀芯组件质量与减小阀芯组件与壳体间滑动摩擦力,都可以使压力振荡过程减弱,有利于改善减压器在外激振动过程下的工作稳定性.计算结果为减压器及增压系统的设计和优化提供了参考.      

GMA椭圆油膜轴承性能实验

为研究超磁致伸缩驱动器（GMA）椭圆油膜轴承性能,搭建了三自由度可控椭圆轴承实验装置,利用GMA动态控制了椭圆轴承所支撑转子的轴心轨迹,观察了椭圆轴承油膜形成和破裂过程,考察了轴径转速、进油压力、偏心率等参数对椭圆轴承油膜气穴位置的影响。实验结果表明:椭圆轴承动态气穴内存在润滑油丝,逆着旋转油流方向移动;随着转速升高或者偏心率增加,椭圆轴承圆周方向油膜破裂边提前;随着转速增加或者进油压力减少,椭圆轴承气穴位置逆着轴向油流方向移动。利用GMA合理控制椭圆轴承短轴油膜间隙,可以更好的抑制转子系统的工频振动。研究结果可为椭圆油膜轴承的稳定性提供参考。      

主流压力梯度对气膜冷却效率影响的数值研究

分别对收缩通道、扩张通道和直通道中亚声速主流条件下的气膜冷却进行数值模拟，对比分析了不同主流压力梯度、次流吹风比条件下的主流和次流流场、温度场特征。研究结果表明:引起气膜冷却效率变化和不同发展趋势的因素可归结为主流边界层厚度、主次流自由剪切混合程度、肾形涡的强度和位置等因素。相对于零压力梯度的主流条件，在吹风比较小(M=0.25)的情况下，主流的逆压力梯度一方面增厚边界层、增强了气膜射流对主流的穿透，另一方面减小了肾形涡的强度，综合作用的结果是气膜平均冷却效率提高了4.91%。在吹风比较大(M=2)的情况下，主流的顺压力梯度扼制主流边界层的发展、抑制气膜射流的穿透能力，降低肾形涡涡核的位置，从而提高气膜冷却效率达17.40%。      

三自由度GMA油膜轴承可视化实验装置

给出了一种三自由度超磁致伸缩驱动器（GMA）油膜轴承可视化实验装置,介绍了它的组成、工作原理及调整方法。该实验装置利用涡轮蜗杆-丝杠传动机构调整实验主轴竖直高度,采用十字滑台、GMA、模具弹簧调整实验轴承在水平面的位置,方便改变实验轴承偏心率,并可利用GMA控制轴承座,减少转子系统振动。在实验台上,进行了椭圆轴承油膜的温度和压力测量以及轴心静平衡位置调整实验。结果表明:通过控制椭圆轴承短轴油膜来调整所支撑转子系统轴心静平衡位置的效果更明显。该实验台可以采集旋转速度在0~10 000 r/min之间的转子轴心轨迹、控制转子工频振动、观察油膜和气穴的形成与破裂实验,为GMA油膜轴承动态性能实验研究打下了一定基础。