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。      

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。      

动压气体止推轴承间隙气动热及流动特性分析

以波箔型动压气体止推轴承为研究对象,建立变截面气膜间隙润滑模型,研究了有无黏性耗散时动压气体止推轴承间隙压力场及温度场分布,获得几何参数以及转速对轴承间隙气膜压力和温度的影响规律。结果表明：考虑黏性耗散时,在收敛段末端和平直段外缘形成高温区;无黏性耗散时,轴承气膜高温区位于收敛间隙末端;轴承气膜温升随转速线性增加;考虑黏性耗散时,气膜温升随楔形因子的增加而减小,无黏性耗散热时则与之相反;气膜厚度越大,温升越小,厚度对轴承气膜温度分布无影响。本文参数范围内,黏性耗散产生的温升占比达90%。该研究证实了黏性耗散对动压气体止推轴承热流动物理机制有重要的影响,可为动压气体轴承设计和高效运行提供理论基础。     

稀薄效应对可倾瓦动压气体轴承性能的影响

以微型三可倾瓦动压气体轴承为研究对象,采用连续模型、一阶滑移模型和WU新滑移模型速度边界条件,建立考虑稀薄效应的滑移修正雷诺方程。结合牛顿迭代法和有限差分法求解修正雷诺方程,计算考虑稀薄效应的三可倾瓦动压气体轴承各瓦块压力分布和承载力。计算结果表明:三可倾瓦动压气体轴承偏心率越大,转速越大,压缩系数越大,轴承承载力越大;考虑稀薄效应后,计算出的可倾瓦动压气体轴承承载力明显下降,且随着克努森数的增大,WU新滑移模型计算得到的承载力明显低于一阶滑移模型。     

悬臂式挠性薄片气体动压径向轴承试验研究

悬臂式挠性薄片气体动压径向轴承的静态加载和运行试验结果分析表明:悬臂式挠性薄片气体动压径向轴承有较好的弹性;径向轴承能在较宽的转速范围内稳定运行在,具有较好的高转速性能,对工作环境条件不敏感,并具有良好的动特性。研制的悬臂式气体动压径向轴承满足涡轮冷却器的要求。      

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。      

气体动压轴承-转子动力系统稳定性及分岔

基于非线性动力学理论, 研究了普通圆柱型径向气体动压轴承支承的转子动力系统的运动稳定性和分岔.建立了气体动压轴承-Jeffcott转子系统的力学模型, 并采用有限元方法逼近非定常气体雷诺方程, 得到任意时刻的气膜力;数值模拟该非线性动力系统的长期行为, 得到了轴颈中心的运动轨迹;并采用轨迹图、相图、分岔图以及功率谱等, 研究了系统的非线性行为以及不平衡响应的稳定性.研究结果表明:该方法对气体轴承中存在的气膜涡动问题能够给予合理的解释.      

悬臂式挠性薄片气体动压径向轴承分析研究

本文建立了悬臂式挠性薄片气体动压径向轴承的特性分析计算方法,用差分方法耦合求解径向轴承的雷诺方程和薄片弹性变形方程。给出了径向轴承刚度、阻尼的计算方法和稳定性计算方法。计算分析了设计的悬臂式薄片气体动压径向轴承的静特性和动特性。计算结果表明,对于所有的偏心率范围和可能的工作运行范围内是恒定稳定的。      

极端工况静压推力轴承承载性能动压补偿

为了研究极端工况条件下静压推力轴承承载性能损失及动压补偿,提出一种新型油垫可倾式静压推力轴承结构,利用动压补偿静压承载力的不足,实现高速重载工况条件下静压推力轴承高精度稳定运行。依据润滑理论和摩擦学原理,采用动静压混合润滑方法,分析缝隙节流双矩形腔静压推力轴承由于剪切和挤压耦合作用承载性能损失值及影响权重。通过优化可倾式油垫底部结构参数及连接方式,控制油垫变形并产生相当量动压,以适应旋转工作台的变形,补偿静压承载力不足,并进行实验验证。结果表明:可倾式油垫底部支承长度为油垫长度,宽度为35mm,高度为1.5mm,与底座采用双销0.25mm间隙连接时动压效应较为明显,并且动压增量能够很好地补偿静压损失量,实验值与模拟值误差为5.2%,达到了增加极端工况静压推力轴承运行精度和稳定性的效果。     

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。     

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.      

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.      

基于二维厚板模型的波箔片轴承静特性

建立平箔片的二维厚板有限元模型,运用有限单元法和有限差分法耦合求解Reynolds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在中截面和边缘处最小气膜厚度随轴承承载力变化规律.通过数值仿真对该模型、一维梁模型、二维薄壳模型和文献实验数据进行对比分析,结果表明:在轴承中截面处,3个模型的最小气膜厚度仿真结果都与实验结果符合得很好,但在轴承边缘处,由于二维厚板模型考虑了平箔片的剪切效应,因此其最小气膜厚度比二维薄壳模型的结果更接近实验值,而一维梁模型只考虑轴承圆周方向,因此不能体现气膜厚度沿轴承长度方向的变化规律.通过研究,为分析箔片轴承动力学特性奠定了理论基础.      

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。     

一种关于静压气体轴承节流孔系数的计算方法

基于层流边界层方程的分离变量算法和雷诺方程的解析算法,提出了一种关于单节流孔静压气体止推轴承的节流孔系数的计算方法。该方法通过比较层流边界层方程计算获得的气体轴承的质量流量和雷诺方程计算获得的质量流量计算获得了节流孔系数。将计算获得的节流孔系数和节流孔系数为常数0.8代入单节流孔气体止推轴承的雷诺方程中,计算获得的承载力与分离变量算法求解层流边界层方程获得的承载力进行对比,可以发现,相对于采用节流孔系数为0.8来说, 采用该计算的节流孔系数求解雷诺方程的承载力与分离变量算法求解获得的承载力结果精度最大提高了8%。从而验证了该计算节流孔系数方法的正确性。      

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.      

角接触球轴承生热预测方法与灵敏度分析

通过拉丁超立方实验设计法获取角接触球轴承NSK-7015C的结构参数样本数据,采用Newton-Raphson法求解轴承变形几何协调方程、滚动体平衡方程和内圈平衡方程所构成的非线性方程组。应用Kriging和Monte Carlo相结合的方法(AK-MCS)构建样本数据与轴承生热的函数关系,在此基础之上使用全局灵敏度计算方法计算轴承结构参数对轴承生热的影响。研究结果表明:在相同轴承结构参数下,采用AK-MCS法预测的轴承生热与轴承拟静力学分析模型求得的结果差值均小于0.003 W,说明AK-MCS算法的预测结果具有较高的准确性;轴承生热对轴承滚动体直径变化反应最灵敏,轴承内、外圈沟道直径影响次之,轴承内、外圈沟道曲率半径影响最小,该研究能够为轴承结构参数的设计优化和加工精度的选择提供理论依据。      

航空发动机双转子-滚动轴承耦合系统的动力特性分析

在轴承动力学和转子动力学基础上建立了某航空发动机双转子-滚动轴承耦合系统的非线性动力学数学模型,采用Newmark有限元法进行了数值求解,就转子转速、中介轴承的游隙和滚子个数以及支承轴承参数对双转子系统动力特性的影响进行了分析并加以实验验证.研究结果表明:①中介圆柱滚子轴承游隙值对双转子系统动力特性影响很大,其原始游隙值取20μm更利于系统运行的稳定性;②支承轴承内、外沟曲率半径的选取将直接影响着双转子系统动力特性;③高压转子与低压转子耦合节点处位移随高压转子转速的增加而减小,随低压转子转速的增加而增加;④中介耦合轴承节点处位移的理论计算值与实验值较为吻合,最大误差为18.7%.