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.      

气旋现象对气体静压轴承微振动影响的实验

气体静压轴承是气浮系统的重要组成元件,其气膜自激微振动会降低气浮系统的工作精度和刚度特性。为了进一步提高气体静压轴承的工作精度和稳定性,在分析轴承内部气膜波动形成机理的基础上,开展了数值计算及实验研究。不仅验证了气旋分布规律和气旋中心压降的存在可靠性,并且有力证明了气膜支撑区域内沿流动方向存在的分区现象。结合实验进一步分析了影响高压区气旋强度和分布位置的可能因素。结果表明:供气压力、供气孔径和气腔结构都分别对气旋的位置和强度有各自不同的影响规律;而主气旋的核心位置和内外压差造成的压力脉动又会直接决定气体静压轴承微振动的强度和频率特征。      

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。     

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.      

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。     

基于NPLS的静压比对高超声速光学头罩冷却气膜影响作用研究

超声速冷却气膜是应用于高超声速成像制导飞行器上的一项关键技术,静压比是影响超声速冷却气膜流场发展的重要因素。为研究静压比对该流场的影响规律,在M6高超声速风洞中采用基于纳米粒子的平面激光散射技术,对不同静压比下的马赫数3超声速冷却气膜流场进行了实验研究,获得了流场的瞬态流动显示图像。通过瞬态流动显示图像分析,研究了高超声速主流与超声速喷流之间边界面的发展过程;通过分形维数及间歇性分析,研究了静压比对湍流化程度的影响。结果表明在波系结构、喷流厚度及湍流化程度等方面,静压比对超声速冷却气膜产生了明显的影响:气膜总体厚度和静压比正相关,欠压状态和匹配状态气膜厚度增长先慢后快,过压状态先快后慢;欠压状态和匹配状态湍流破碎因子在流场前段普遍小于过压状态,但其沿流向增长较快,最终压力匹配状态湍流破碎因子最大,湍流化程度最高。     

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...     

结构和工况参数对电主轴动静压轴承性能的影响

针对精密铣磨床的电主轴的使用需求，分析了动静压轴承的基本结构和使用工况，建立了动静压轴承静动特性参数的计算模型，静特性参数包括温升、流量、承载力和功耗，动特性参数为刚度。计算分析了结构参数半径间隙、节流孔径、宽径比和工况参数供油压力和工作转速对动静压轴承静动特性参数的影响，并将计算结果与层流模型结果和试验结果进行了对比。研究表明：半径间隙是一个较为敏感的变量，对温升的影响较大，使温升降低了约77.6%，和节流孔径、宽径比相比半径间隙对动静压轴承性能的影响程度最大；转速对动静压轴承的静动特性均有较为明显的影响，特别是对温升和功耗的影响幅度较大，分别增长了初值的17.8倍和18.1倍，电主轴在高速工况下需有较好的降温措施。     

民用飞机静压孔布局规律

对民用飞机静压孔布局规律进行了研究。确定相关条例中静压孔的安装使用要求,将其转换成具体的设计分析技术指标;利用数值模拟方法对翼身组合体构型进行气动计算,得到不同状态下机身表面压力分布;对机身表面压力分布均方根进行分析,得到机身表面静压随马赫数、攻角变化较小的区域,定义为稳压线;将机身等直段等效为圆柱体,将来流分解为轴向平直流动和圆柱周向绕流,通过圆柱绕流Cp分布理论分析,获得与计算结果一致的稳压线分布规律,表明稳压线分布规律的普适性。开展高低速测压风洞试验,对稳压线规律进行验证,结果表明稳压线上压力分布变化范围趋近于0,试验结果与CFD计算结果以及理论分析结果高度一致,证明了稳压线计算及分析方法合理、可行,静压孔布局规律的正确、普适。所得稳压线分布规律可为常规布局民用飞机静压孔布局提供直接参考。     

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。     

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。      

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...     

计及芯轴变形的轴连轴承载荷分布和刚度计算

因轴连轴承高承载能力和长寿命的性能指标要求,提出三列滚动体混合式结构,通过两端圆柱滚子线接触形式提高轴承整体承载能力。为考核新型轴连轴承承载性能,基于柔性梁理论引入芯轴挠曲变形的影响,采用滚动轴承设计方法,建立新型轴连轴承力学分析模型,在此基础上研究了外载大小、外载位置和游隙因素对轴承载荷分布和刚度的影响。载荷分析表明:径向载荷增加,芯轴在各滚动体列产生的附加力矩增加,各滚动列最大接触载荷增大;载荷作用距离减小,芯轴在各滚动体列产生的附加力矩减小,各滚动体列的承载载荷明显下降;滚子列径向游隙的增加,各滚动体列的最大接触载荷增大,承载区域减小,载荷分布均匀性下降。刚度分析表明随着径向载荷增大,各滚动体列主刚度明显上升,而载荷作用距离减小和滚子列径向游隙增加,会造成各滚动体列主刚度一定程度下降。      

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。      

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。     

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.      

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.      

均匀磁场中铁磁流体润滑的轴颈轴承

当均匀外加磁场强度从0增加到 0.12 MA/m时, 在高剪切速率下铁磁流体润滑膜的承载能力提高25%,而在低剪切速率下, 承载能力可提高 35%。所以, 从实用的观点来看, 铁磁流体润滑是为了利用外磁场来调节轴承的承载性能, 而不是为了获得高承载力。为了避免轴承承载能力受到限制, 需要将铁磁流体密封与润滑膜分离开来。分析表明均匀磁场和剪切速率对姿态角的影响甚为微小。      

航空碳纤维树脂基复合材料加筋板压缩屈曲及后屈曲性能

开展了复合材料加筋板轴压稳定性实验,对加筋板的屈曲及后屈曲性能、破坏模式和后屈曲失效表征进行了研究.实验结果表明加筋板在轴压下具有良好后屈曲承载潜能,破坏载荷约为屈曲载荷的2.2倍;其屈曲模式为筋条间蒙皮首先发生屈曲失稳,筋条在整个承载过程中保持直线,起到“屈曲分隔”的作用.通过对加筋板屈曲及后屈曲性能的理论分析,得出的理论屈曲载荷和理论破坏载荷与实验结果相对误差均小于8%,并确定了在后屈曲过程中蒙皮中心挠度的变化规律和轴向载荷的面内分布特征.