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.      

发动机涡轮泵转子新型阻尼挠性支承的性能

高压补燃氢氧发动机的液氢／液氧涡轮泵转子动特性研究需要准确的支承性能参数,因此在径向力小于１０ｋＮ,轴承预紧力９８０Ｎ￣２２０５Ｎ的范围内进行了新型阻尼挠性支承５的性能研究。通过试验和计算,得到了折返式鼠笼挠性支承的变形特性、应力分布规律及其有限元计算模型、金属橡胶阻尼器的阻尼特性、成对双联轴承以及轴承预紧力等因素对支承系统性能的影响。     

机床主轴——轴承系统的刚性设计与分析

本文论述了主轴－－轴承系统中轴承、预紧方式及预紧力对其刚性的影响，并给出了主轴轴径和支承距以及悬伸量等的计算和选择方法。     

考虑轴向力影响的三点接触球轴承刚度特性研究

为探究三点接触球轴承刚度特性,针对某型船用燃气轮机动力涡轮后支承使用的三点接触球轴承,在考虑轴向力影响的情况下,运用数值方法求解并分析了运行工况横向载荷和转速以及结构参数滚动体个数和垫片角对轴承刚度特性的影响规律。结果表明:轴向力对轴承的刚度影响显著,随着轴向力增大,轴承横向刚度减小,轴向刚度增大;横向刚度随横向力与滚动体个数增大而增大;轴向刚度随内圈转速、滚动体个数与垫片角增大而增大;轴向刚度对横向载荷影响不明显。     

航空发动机高压转子前轴承刚度特性分析

为了得到航空发动机高压转子前轴承刚度随发动机工作状态的变化规律,建立了该轴承的刚度分析模型,引入了轴承内、外环配合参数、离心效应、热效应以及联合载荷对轴承刚度特性的影响,数值分析了该轴承的刚度随轴承内、外环配合参数、转速、轴承工作温度及外载荷的变化规律。结果表明,轴承的径向刚度、轴向刚度和角刚度,随轴承内、外环过盈配合量增大而增大,随转速、工作温度和弯矩的增大而减小;径向力增大,轴承的径向刚度增大,轴向刚度和角刚度减小;轴向力增大,轴承的径向刚度减小,轴向刚度和角刚度增大;轴向载荷对该轴承的刚度影响最大。     

弹性支承下的双半内圈角接触球轴承振动分析

针对弹性支承下的双半内圈角接触球轴承,考虑弹性支承体与轴承外圈、轴承座之间的刚柔耦合特性,建立了弹性支承下的双半内圈角接触球轴承非线性动力学微分方程.采用精细积分法和预估-校正Adams-Bashforth-Moulton多步法相结合的算法,对非线性动力学微分方程进行求解,并对弹性体支承的双半内圈角接触球轴承振动特性进行了理论分析.分析结果表明:①通过增加支承体过渡沟槽个数可大幅度降低内圈振幅;套筒环厚度对轴承振幅影响相对较小,随着套筒环厚度的增加,内圈振幅先减小后增大;②轴向力较小时,采用过渡沟槽个数多的支承体能够降低振动幅值;轴向力较大时,适当减少过渡沟槽个数,有利于系统稳定;③存在一个最佳的过渡沟槽个数和套筒环厚度,使得轴承径向振动幅值达到最小.      

非线性弹性转子-轴承系统稳定裕度数值分析

基于互补群群际能量壁垒准则量化理论,提出了轨迹加速度-位移扩展相平面稳定裕度分析法,从理论分析、数值计算两方面验证了该方法的正确性。建立了采用Capone圆轴承非线性油膜力模型的弹性转子-轴承系统模型,并用数值积分和庞加莱映射方法,得到系统在某些参数域中的分岔图、轴心轨迹图、庞加莱映射图、时间历程图和频谱图,得出分岔失稳速度随质量偏心的变化规律:分岔速度随质量偏心的趋势是先减小后增大,拟合曲线符合三次高斯公式,拟合精度达0.998 2。数值分析结果为该类转子-轴承系统的设计和安全运行提供了理论参考。     

控制参数对磁悬浮轴承转子系统动态特性的影响

对某磁悬浮轴承转子系统的动态特性进行理论分析与实验研究,讨论了系统的固有频率、刚度及阻尼与控制参数的关系。结果表明,控制参数的变化对系统第一阶弯曲固有频率值的影响很小,只能通过改变转子本身的尺寸,使转子工作转速远离该阶弯曲固有频率。另一方面由于支承阻尼过小且控制参数的调节范围有限,易造成转子在亚临界或超临界运行时因振幅过大而与轴承发生碰撞。      

加强盘式转子支承设计技术

针对航空发动机高速转子支承结构设计难点,以某加强盘式结构的高压压气机试验件为研究对象,基于该试验件具有转子跨距长、质量大、轴向力大的设计特点,分析转子支承方案设计要求和转子动力特性影响因素,总结了转子支承设计技术特点和需求条件;开展支承方案的确立及筛选设计,采用通过理论和数值计算分析优选出的1-1-1型支承方案,综合优化支点跨距、转子质量、支承刚度和支点阻尼4个设计变量,满足全转速范围内的性能录取需求。结果表明:优化方案在工作转速范围内存在2阶临界转速并均处于性能录取转速以下,应变能分别为9.3%和16%。试验件最终顺利完成了全部转速下的性能参数录取,在试验过程中运行平稳,整体振动水平较低,轴向力始终处于轴承承载范围,验证了转子支承方案的合理性。     

浮环挤压油膜阻尼器对模拟低压转子突加不平衡响应影响分析

为了研究浮环挤压油膜阻尼器对涡轴发动机模拟低压转子突加不平衡响应的影响,建立了考虑多种耦合的带浮环挤压油膜阻尼器模拟低压转子的动力学模型,推导其运动方程并采用数值方法进行了求解,分析了系统响应随浮环与轴承质量比值、支承刚度和油膜间隙等设计参数的变化.研究表明:相比传统挤压油膜阻尼器,浮环挤压油膜阻尼器更好地抑制了转子系统加速过临界时的瞬态响应以及稳速和升速过程中的突加不平衡响应;增大浮环与轴承质量比值、减小弹性支承刚度和挤压油膜间隙,能够更好地抑制突加不平衡响应的瞬态振幅和瞬态过程;转子系统由于油膜非线性引起的双稳态大振幅区会随浮环与轴承质量比值的增大而减小,而随挤压油膜间隙值的减小而增大.      

角接触球轴承在高速大载荷工况下滑油中断耐受能力分析

通过研究角接触球轴承断油故障的故障复现现象,发现断油耐受能力不足的初期故障模式为滚动体与内圈之间发生三点接触。使用三点接触分析法对轴承断油耐受能力进行计算,结合相似轴承的计算分析,结果表明:垫片角越大,轴承抗断油能力越差,垫片角为25°的情况下轴承抗断油能力较差。通过断油后轴承的瞬态温度场分析,结合三点接触分析法,确定原设计状态的轴承断油耐受时间为25 s,不具备耐受断油30 s的能力。根据分析的结论,将该轴承的垫片角减小到19°,落实改进措施后的轴承通过了试验器验证和发动机试车验证。      

齿轮-转子-滚动轴承传动系统的弯扭耦合振动

考虑齿轮啮合及扭转作用,建立齿轮-转子-滚动轴承传动系统的弯扭耦合非线性动力学模型.考虑输入/输出端、齿轮轴的弯曲/扭转振动等问题,推导了不平衡齿轮-转子-滚动轴承弯扭耦合的动力学微分方程.在考虑齿轮偏心和滚动轴承非线性接触特性的情况下,分析了转速、偏心量以及轴承游隙等参数对系统振动响应的影响规律.研究发现:由于弯扭耦合的作用,在主动轴中有着非常明显的从动轴转频成分.而在扭转振动中则各轴转频和啮合频率表现得更为清晰;滚动轴承有其自身的谐振频率,在系统设计阶段需要注意避开滚动轴承的变刚度频率对系统的影响;随着齿轮偏心量的变化对系统的时域和频域响应也有着很大的影响.另外,轴承游隙对系统的振动响应也有着较大影响,应选择合适的轴承游隙,以减小系统各处的振动幅值.     

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.      

某型航空发动机中介轴承外环故障振动分析

根据某型双转子航空发动机的结构和动力学特点,设计建造了中介轴承实验器.实验中发现中介轴承的外环故障包络谱与内环故障和滚动体故障的包络谱相似,也受周向载荷不均匀分布和传感器相对位置周期性变化的影响.基于此,推导了中介轴承故障特征倍频公式,建立了中介轴承局部故障的理论模型,采用希尔伯特包络检波技术,对外环剥落轴承振动信号进行了分析,结果表明,所建立的中介轴承局部故障理论模型是正确的.      

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.      

半主动笼式调谐质量阻尼器控制转子振动的研究

对调谐质量阻尼器在旋转机械振动控制中的应用进行了研究,不改变原有转子系统支撑形式,设计了一种半主动笼式调谐质量阻尼器.提出基于转速的分段开关控制策略,并开发了一套基于laborary virtual instrument engineering workbench(LabVIEW)的转子振动实时闭环控制系统,可根据转速对该笼式调谐质量阻尼器通过变质量实现在线动态调节自振频率,实现半主动控制.搭建了单跨转子调谐质量阻尼实验台装置,对转子过临界转速的振动进行了实验研究.结果表明:基于开关控制的半主动笼式调谐质量阻尼器能有效降低转子过临界振动,减振幅度可达83.4%,并能很好避免调谐质量阻尼器引起的新的共振峰.      

基于自适应双稳态随机共振的中介轴承故障诊断方法

针对航空发动机中介轴承故障信号微弱,故障特征提取困难的问题,提出了基于容忍遗传算法（TAGA）的自适应双稳态随机共振（BSR）的中介轴承故障诊断方法。在传统自适应遗传算法中引入容忍度思想,建立一种容忍遗传算法,采用容忍遗传算法对双稳态随机共振系统的结构参数a,b进行优化,建立自适应双稳态随机共振系统对故障信号进行处理。为验证该方法的有效性,搭建了中介轴承故障模拟实验系统,开展中介轴承内圈和外圈故障模拟实验。采用该方法分别对仿真信号和实验信号进行处理。结果表明:该方法能够对故障信号进行增强,提升了故障特征频率提取能力。自适应优化结构参数后,提取的特征频率与故障频率理论值的误差小于0.1%。      

有大预紧效应的多叶径向箔片轴承的分析

针对有大预紧效应多叶径向箔片轴承的结构特点,通过引入辅助分析部件建立箔片轴承的非线性接触有限元仿真模型。在分析过程中通过改变作为刚性体的辅助部件和作为柔性体轴承部件之间的几何位置来模拟大预紧多叶箔片径向轴承的装配过程并最终求得箔片轴承中接触应力应变。将处理轴承间隙压力分布的控制方程-雷诺方程和非线性的接触求解过程耦合起来迭代求解,第一次对有大预紧效应的多叶箔片径向轴承进行了完全气弹耦合数值分析。      

反向旋转双转子稳态响应计算分析与试验

航空发动机采用反向旋转的双转子系统, 有助于减小转子整体陀螺力矩对飞机的影响, 降低机匣负荷, 提高飞机机动性能.分析了一种具有中介轴承的反向旋转双转子结构的稳态响应, 其中介轴承外圈与低压转子联接, 内圈与高压转子联接.针对这种结构, 应用传递矩阵法, 结合边界条件, 分析了反向旋转双转子结构稳态不平衡响应的变化规律, 研究了内、外转子盘轴心轨迹和质心的变化特点, 并进行了相应的试验研究, 验证了计算仿真的相关结论.      

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.