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.      

波箔型径向气体箔片轴承-转子系统升降速动态特性试验

为了研究以波箔型径向气体箔片轴承为支承的轴承-转子系统动力学特性,专门设计了波箔型径向气体箔片轴承试验台,质量为0.458kg的转子在该试验台上实现了超过80000r/min的运转速度.径向轴承为波箔型径向气体箔片轴承,止推轴承为多叶箔片轴承.试验结果表明:波箔型径向气体箔片轴承能够实现转子高速运行,在转子起飞后具有良好的运行稳定性,其轴承支承处振动位移幅值一直维持在20μm之内.由于驱动涡轮受到不平衡气流力的作用,转轴升速时的起飞转速要高于降速时的起飞转速.      

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.      

油润滑弹性支撑多叶箔片轴承静态特性

以提高箔片轴承承载力为目的,提出了一种带有弹性支撑结构的多叶箔片轴承.基于柔度矩阵理论计算了箔片变形量,并与有限元分析软件的仿真结果进行了对比,以验证其准确性;建立了油膜厚度与箔片变形量关系的表达式,仿真研究了该箔片轴承的静态特性,并与无支撑结构的多叶箔片轴承进行对比分析;建立了油润滑箔片轴承静态特性实验台,实验测量油润滑弹性支撑多叶箔片轴承的承载力.结果表明:弹性支撑多叶箔片轴承的承载力大于没有支撑结构的轴承,在30000r/min时承载力提高达109%;轴承转速越高,承载力增加越明显.实验得到的承载力与理论计算值相差2.7%,吻合较好.      

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.      

气体动压止推轴承性能及实验

为了研究气体动压箔片止推轴承的动力特性,建立了刚性表面气体动压止推轴承模型,采用数值计算的方法找出了不同结构参数、转速等对刚性表面气体动压止推轴承性能的影响规律。综合衡量加工难度及数值计算结果中气体动压止推轴承性能表现,加工出刚性表面气体动压止推轴承。同时选用新型弹性箔片材料完成波箔、平箔的压制及热处理工艺,设计开发了箔片动压止推轴承。搭建了单侧气体动压止推轴承实验台,重点对轴承的承载力、起飞转速、摩擦力矩等进行监测与分析。通过实验研究明确了轴承启停过程,同时发现:起飞瞬间刚性表面气体动压止推轴承与弹性表面气体动压止推轴承位移响应方向相反,且在相同轴向载荷条件下,弹性表面气体动压止推轴承起飞转速较同种结构的刚性表面气体动压止推轴承有1/2~2/3的下降。      

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。     

箔片摩擦效应对转子-箔片轴承系统动力学特性影响试验

为了研究波纹箔片和轴承壳之间的摩擦特性对转子-箔片轴承系统动力学特性的影响,设计了波箔型径向气体箔片轴承-转子试验台,通过在该试验台上对以两组不同轴承壳圆柱孔内表面粗糙度的箔片轴承支承的质量为0.458kg的转子进行转速为0~8000r/min的运行试验,对比分析了波纹箔片与轴承壳内壁之间的摩擦效应对系统转子动力学特性的影响.结果表明:直径为19.98mm的波箔型径向气体箔片轴承能够实现转子高速运行,在转子起飞后具有良好的运行稳定性,其轴承支承处的振动幅值一直维持在20μm附近,并且降低轴承壳内表面粗糙度(摩擦因数)能够让波纹箔片相对容易地在平箔片和轴承壳之间周向滑移,使其吸收并消除转子高频振动,提高转子系统运行稳定性.      

平箔片楔形高度对气体止推箔片轴承特性影响

针对波箔型气体止推箔片轴承,建立了箔片结构二维薄板模型,并通过有限差分法和有限元法耦合求解可压缩气体Reynolds方程和气膜厚度方程,获得了给定轴承载荷条件下轴承气膜压力分布、气膜厚度分布、平箔片变形量和功率损耗等轴承特性.通过对比楔形高度分别为25,70,100,200,300μm时的轴承特性仿真结果研究了楔形高度对轴承性能的影响.结果表明:降低楔形高度使轴承气膜压力分布更均匀,并降低了平箔片的局部集中载荷.但楔形高度存在一个最佳值,使得达到相同轴承载荷所需的最小气膜厚度最大,并且轴承具有最小功率损耗,提高了轴承的工作效率.该结果为气体止推箔片轴承的结构设计提供的理论参考.      

引入弹性箔片对动压轴承静动态特性影响数值研究

随着高速透平机械的快速发展，应用其中的动压轴承也在不断与时俱进。但刚性表面动压轴承和弹性箔片动压轴承的轴承特性对比尚不充分，所以本文系统性地比较了两种轴承的静动态特性并总结各自的优劣及其适用环境。基于中心差分法将可压缩Reynolds方程离散化后，分别与两种动压轴承的气膜厚度方程进行耦合迭代，求解获得静态特性结果。在静态特性的基础上，应用小扰动法求解各自的动态特性参数。将这两种动压轴承的静动态特性参数进行对比研究发现，刚性表面动压轴承的承载特性要优于弹性箔片动压轴承，但影响轴承稳定性的偏位角却不如后者；且刚性表面动压轴承的动态特性参数在大偏心、高转速的工况下均要优于弹性箔片动压轴承，但由于没有弹性箔片的保护，在启停过程中磨损较为严重。     

气体止推箔片轴承试验台设计及试验

设计并制造了带有箔片密封式活塞加载装置的气体止推箔片轴承试验台,对带有冷却通道和径向辐射分布波纹箔片的止推箔片轴承进行了试验研究,分别在15000,20000,25000r/min转速下采用摩擦力矩法对带有冷却通道的止推箔片轴承进行了承载力测试试验.结果表明:带有箔片密封结构的活塞式加载装置能够很好地实现止推轴承加载功能,验证了试验台设计的成功,该止推箔片轴承在不同转速下分别得到了145,195,260N的推力,并且轴承承载力和气膜间隙成非线性关系.      

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.      

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。     

叠片式箔片气体动压推力轴承的静动态特性

针对一种叠片式箔片气体动压推力轴承,提出相应的结构刚度模型。运用有限差分法(FDM)求解可压缩气体雷诺方程,并与箔片弹性变形方程耦合求解得到该类型轴承的静动态特性。结果表明:由于支承结构在径向和周向都具有变刚度特点,导致单瓣箔片上出现二次收敛楔形效应,因此形成两个压力峰值,与传统类型轴承相比能在一定程度上提高承载能力。随着最小气膜厚度的增加,轴承承载能力和摩擦力矩都不断下降,且动态刚度也逐渐下降,但对动态阻尼的影响较小。存在最优楔形高度值以实现较大承载能力的同时,也能达到较小摩擦力矩,减小功率损耗,并且还能获得较高的动态刚度和动态阻尼系数。      

低含气率影响下圆柱动静压轴承特性分析

为研究低含气率条件下,温度和气泡含量对润滑油黏度的影响,采用涡轮油和氮气制备油气两相流,在不同温度下采集含气率和动力黏度,拟合得到两相流的黏度计算模型。针对带有深浅腔的圆柱动静压轴承,基于拟合的黏度模型,结合有限元法和有限差分法联立求解油膜Reynolds方程、能量方程及两相流等效密度模型,分析了不同偏心率下承载力、摩擦力、端泄流量、刚度、阻尼系数和失稳转速随含气率变化的规律。结果表明:含气率在2.50%以内,含气率越高,黏度值越大;不同偏心率下油膜承载力、摩擦力和动力特性参数均随含气率的增加而增加,端泄流量随含气率的增加而减小;计入两相流的影响使稳定性有所提高,失稳转速最高增幅为9.14%。     

球柱联合转台轴承摩擦力矩特性

为研究球柱联合转台轴承摩擦力矩特性,建立了轴承的力学模型,采用Newton-Raphson法对模型进行求解。分析了轴承摩擦力矩产生机理,建立了摩擦力矩计算模型,利用试验机对模型进行了试验验证,研究了不同结构参数对轴承摩擦力矩的影响。结果表明:所建立的模型可较好的实现轴承摩擦力矩预测,轴承摩擦力矩与轴向载荷、倾覆力矩和轴承转速呈正相关;减小初始轴向游隙可显著降低轴承摩擦力矩;钢球数量存在一个最优值使轴承摩擦力矩最小;沟曲率半径存在合理区间使轴承综合性能最优;适当减小保持架质量可有效降低轴承摩擦力矩。研究结果为球柱联合转台轴承的优化设计提供了理论依据。