基于非线性油膜力的滑动轴承动力特性系数识别方法

为了更简便地从滑动轴承非线性油膜力直接识别获得油膜动力特性系数,从频域角度建立了轴颈在轴承中的扰动与非线性油膜力之间的关系,采用等幅异频位移激励技术,一次性识别出油膜8个刚度和阻尼特性系数,通过圆瓦滑动轴承实例验证了该方法的准确性,分析了扰动幅值和频率对识别精度的影响。研究结果表明,扰动频率对识别精度没有明显影响,而扰动幅值对识别精度有较大影响,当扰动幅值大于0.016倍半径间隙时,识别精度超过5%。当扰动幅值小于0.005倍半径间隙时,识别精度在0.5%以内,0.001倍半径间隙时,所给出的油膜动力特性系数识别方法的识别精度可达到0.045%。     

基于两相流理论滑动轴承动力特性求解

将计算流体动力学(CFD)两相流与动网格技术应用于滑动轴承动力特性数值求解,建立了基于CFD两相流滑动轴承动力特性求解模型,该模型无需设定油膜破裂边界条件且更能准确模拟滑动轴承流场特性.比较了单相流与两相流滑动轴承压力分布特性,计算分析了滑动轴承气穴分布特征及其影响因素,研究了两相流模型对滑动轴承动力特性的影响.计算结果表明:气化比例随着转速、偏心率和气化压力的增加而迅速增大,随进口压力的增加而缓慢减小.考虑两相流后,直接刚度系数增加,交叉刚度系数减小,直接与交叉阻尼系数均减小.随着偏心率的增加,单相流与两相流动力特性系数求解结果偏差增大.      

有限长椭圆瓦轴承油膜力近似解析模型

基于动态油膜边界条件,利用分离变量法求解Reynolds方程,获得了有限长圆瓦滑动轴承油膜压力分布表达式,推导了圆瓦轴承油膜力近似解析模型.在此基础上,根据椭圆瓦轴承油膜边界条件,建立了有限长椭圆瓦轴承油膜力近似解析模型.与有限差分法模型、长轴承模型、短轴承模型对比的结果显示,有限长椭圆瓦轴承油膜力模型能够适应任意长径比,且具有较高计算精度.基于给出的模型,利用Runge-Kutta法分析了刚性转子-椭圆瓦轴承系统的动力学特性,仿真结果表明,该模型能够较好描述椭圆瓦轴承油膜动力特性.      

考虑轴颈涡动的滑动轴承动力特性数值研究

基于非定常动网格技术建立了考虑轴颈涡动频率与涡动轨迹的滑动轴承动力特性求解模型。在验证求解模型准确性的基础上,研究了轴颈正弦直线涡动轨迹、圆涡动轨迹、椭圆涡动轨迹下,涡动频率和偏心率对滑动轴承动力特性的影响。研究结果表明:轴颈的周期性涡动导致轴承油膜最小间隙和油膜压力周期性变化,油膜最小间隙越小,油膜压力越大;随着轴颈正弦轨迹涡动,由此形成的油膜力也呈正弦规律变化,且变化频率与轴颈涡动频率相同,但油膜力的相位滞后于轴颈涡动位移的相位;轴颈涡动频率及涡动轨迹对滑动轴承动力特性影响较大,需要考虑轴颈涡动对滑动轴承动力特性的影响。随着偏心率的增加,动力特性系数绝对值均随之增大。      

弹性环式挤压油膜阻尼器动力学特性系数测试

搭建了弹性环式挤压油膜阻尼器(ERSFD)的动力学特性测试试验台。利用两个正交方向的简谐激励对ERSFD进行了激振试验,在轴心为圆时测得了阻尼器的位移和载荷数据,并结合阻尼器质心的运动方程分别识别ERSFD油膜和弹性环的动力学特性系数。结果表明弹性环与油膜均具有显著的阻尼和刚度,其中油膜的阻尼和刚度系数随着凸台高度的升高迅速降低,弹性环的刚度和阻尼受凸台高度影响较小;弹性环的厚度对油膜的刚度和阻尼无显著影响;油膜阻尼随供油压力的升高先增大后不变,油膜刚度随着供油压力的升高先增大后减小。不确定度分析结果表明油膜的四个动力学特性系数Cxx、Cyy、Kxx、Kyy的不确定度分别为12.2%、11.5%、18.2%、12.7%。弹性环的四个动力学特性系数Cxx、Cyy、Kxx、Kyy的不确定度分别为30.7%、33.1%、17.0%、12.8%。      

动平衡机上识别滑动轴承油膜动特性系数的新方法

大型高速回转机械的转子在动平衡机上进行高速动平衡时，滑动轴承—转子系统的工况与机组的实际运行工况具有良好的一致性。考虑到现场识别滑动轴承油膜动特性系数时存在的种种困难，本文提出一种在动平衡机上识别滑动轴承油膜动特性系数的新方法。数值试验表明，本文的方法是行之有效的。     

简单转子系统油膜稳定界限的计算分析

对简单转子支承系统的油膜稳定区进行了计算研究.通过建立包含支承阻尼和转子外阻尼在内的弹性支承滑动轴承系统模型,计算了该转子系统的油膜稳定界限,并对稳定界限进行分析,讨论了提高转子系统稳定性的措施.分析结果表明:减小转子系统的刚度,是提高系统油膜稳定性的有效办法.     

球面螺旋槽动静压气体轴承动态特性试验

根据轴径偏离稳态平衡位置进行变位运动时气膜力的变化规律,建立气膜刚度和阻尼系数的计算矩阵方程,使用滚动迭代算法计算气膜瞬态刚度和阻尼系数。分析升、降速阶段气体轴承在周期1、周期2和混沌运动过程中瞬态刚度和阻尼的振动特征,研究气膜涡动和振荡的力学机理,以改善气体轴承动态特性、减小气膜涡动和振荡,提高气体轴承运行的稳定性。结果表明:通过气膜刚度阻尼系数变化特征可以判断转子的运行状态。当气膜力波动,刚度阻尼系数出现周期性波动变化,引起气膜振荡;当气膜瞬时刚度系数波动幅值增大10倍以上,轴承转子接近临界失稳进入混沌运行状态;当气膜刚度阻尼系数发生畸变,轴承出现碰磨失效。     

基于厚板的弹性环式挤压油膜阻尼器建模及动力学特性系数识别

利用数值方法完善了弹性环式挤压油膜阻尼器（elastic ring squeeze film damper,ERSFD）的流固耦合计算模型,其中利用雷诺方程建立油膜的控制方程,利用厚板单元建立了弹性环的运动方程并采用分时迭代方法实现了弹性环-油膜的控制方程的耦合求解从而获得瞬时内外油膜的压力,并进一步识别了油膜以及ERSFD的动力学特性系数。结果表明ERSFD的阻尼系数受凸台高度影响最大,凸台高度从0.15mm增加到0.30mm, ERSFD的阻尼系数从5790(N·s)/m减小到718(N·s)/m; ERSFD刚度系数则主要取决于弹性环的厚度以及凸台数目,弹性环厚度从0.8mm增加到1.0mm,ERSFD的刚度从1.44×106N/m增加到2.51×106N/m。      

负错位密封静力与动力特性的数值研究

提出了一种抑制气流激振力的负错位密封结构,建立了基于瞬态流场CFD动网格技术的负错位密封静力与动力特性求解模型,分析了偏心率、错位率等因素对密封泄漏量、周向压力、气流力与动力特性系数及密封转子稳定性的影响.结果表明:密封的泄漏量随偏心率与错位率的增加而增大;密封间隙流体周向压力呈正弦规律分布;与传统圆形密封相比,负错位密封形成发散的楔形间隙,降低流体动压效应,降低周向压力差,减小密封的切向力;随着偏心率的增加,密封的直接与交叉刚度以及交叉阻尼的绝对值均增大,直接阻尼降低;与传统圆形密封结构相比,该型密封可有效降低密封的交叉刚度,增加主阻尼,提高等效刚度与等效阻尼,改善了密封的稳定性.      

基于CFD内流耦合仿真的燃油柱塞泵滑靴副动态润滑特性研究

针对航空燃油柱塞泵滑靴副自适应油膜的动态润滑问题,基于牛顿拉夫逊方法,建立了考虑滑靴副油膜支承作用与其动力学状态动态耦合关系的滑靴副润滑计算模型。在此基础上,计入前级部件内流作用对油膜特性的影响,通过CFD内流分析和Reynolds润滑模型相结合的仿真方法,对航空柱塞泵滑靴副及其前级部件进行了一体式联合仿真研究。研究结果表明:仿真与试验结果的误差保持在4.3%以内,CFD仿真方法可以实现对滑靴副前级部件内流场的准确模拟;转速从4kr/min增至5kr/min时,膜厚的最大倾覆值减小至原数值的27.15%,并且低压区滑靴厚度变化率的增大率最大可达62.02%;而出口压力增大率为66.7%时,引起全周期内膜厚变化率波动幅度不同程度的增大;在转动周期内,滑靴的自适应润滑效果通过油膜厚度场和压力场的耦合变化形成自适应动压支承效应来实现。     

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。      

转子系统挤压油膜阻尼器设计与动力特性

鉴于挤压油膜阻尼器(SFD)设计必须要同时考虑转子系统的动力学特性,提出了一种转子系统与挤压油膜阻尼器耦合设计方法,给出了详细的设计流程。对所设计的阻尼器进行了CFD数值模拟、油膜压力测量以及减振效果实验,结果证明所提出的设计方法是有效的。相比未采用阻尼器,采用阻尼器后转子系统两个转盘的振幅分别下降了46%和39%。通过实验还研究了不平衡量、支承刚度、供油压力和滑油温度对挤压油膜阻尼器减振效果的影响。结果表明,相比于不平衡量和支承刚度对减振效果的影响,供油压力和滑油温度的影响并不显著。进行挤压油膜阻尼器设计时,重点应该关注转子上的不平衡量大小和支承刚度。     

基于试验和薄层单元仿真的接触阻尼识别方法

接触刚度和阻尼是影响螺栓连接的装配结构动力学特性的关键参数,为了实现接触刚度和阻尼的同时识别,在前期开展的螺栓连接结构接触刚度识别的基础上,提出一种基于试验和薄层单元仿真的接触阻尼识别方法。通过在单螺栓连接结构中巧妙引入试验垫片,通过试验获得有界、对称且均匀接触状态下结构的固有特性与动态响应;进而建立模拟接触面刚度与阻尼的薄层单元,并仿真获得结构的动态响应特性;通过结构固有频率测试与仿真结果构建误差函数实现接触刚度识别,通过动态响应测试与仿真结果构建误差函数实现接触阻尼的识别,进而获得接触刚度与阻尼随接触法向力变化的模型。结果表明,接触刚度随法向力非线性增大而接触阻尼则非线性减小,当法向力较大时,接触刚度和阻尼趋于稳定。研究结果为接触刚度和阻尼的同时识别提供了一种行之有效的方法,识别平均误差分别为4.5%、14.8%,所识别的刚度和阻尼以合适的薄层单元形式,可直接应用到包含多接触面的装配系统动力学分析中。     

阻旋栅对密封静力与动力特性影响的数值分析与实验研究

密封动力特性对旋转机械转子系统稳定性影响较大,在密封入口端部设置阻旋栅是提高密封稳定性的有效方法。设计加工了无/有阻旋栅共5种密封结构,从数值分析与实验研究两个方面研究阻旋栅对密封静力与动力特性的影响规律。建立阻旋栅密封静力特性CFD理论模型,数值分析阻旋栅对密封泄漏量、切向速度以及周向压力分布的影响;应用不平衡同频激励法实验研究阻旋栅对密封动力特性的影响。研究结果表明:阻旋栅可降低密封的泄漏量,减小密封内流体的切向速度,进而降低密封内流体的周向压力差,且随着阻旋栅周向稠度与径向长度的增加,这种作用逐渐增大,这是阻旋栅抑制气流激振力的主要原因;预旋是密封产生交叉刚度的重要因素,密封的交叉刚度随进出口压比与转速的增加而增大;阻旋栅可有效降低密封的交叉刚度,增加密封的主阻尼,提高密封的稳定性。本文研究揭示了阻旋栅抑制密封气流激振力的机理,为设计阻旋栅密封提供理论依据。     

带有挤压油膜阻尼器的转子系统动力学相似设计

针对航空发动机中常见的带有挤压油膜阻尼器(SFD)转子的动力学相似问题,建立了一种相似建模方法。从带有阻尼的转子的振动微分方程着手,通过方程分析法推导了转子振动过程中的不平衡力相似关系和阻尼力相似关系。以挤压油膜阻尼器的油膜力和油膜方程为基础建立了挤压油膜阻尼器参数与转子相似参数之间的数学关系,并给出了相应的工程设计方法。以某带有挤压油膜阻尼器的单转子系统为例,建立了带有挤压油膜阻尼器的相似转子系统,使用有限元法分析了该转子系统与其相似系统的动力学特性,分析结果显示：在仅考虑转子系统内挤压油膜阻尼器阻尼的情况下相似系统的不平衡响应与原转子系统不平衡响应误差低于1%。     

A double integral method for quantitative evaluation of influence on thin-walled casing response caused by bearing uncertainties

Bearings in a gas turbine engine are the key connecting components transmitting force and motion between rotors and thin-walled flexible casing. The bearing stiffness and damping of squeeze film damper (SFD) nearby bearings are easily affected by many factors, such as assembly process, load condition and temperature variation, resulting in uncertainties. The uncertainties may influence the response of the measuring point on the casing. Hence, it is difficult to carry out the fault diagnosis, whole machine balancing and other related works. In this paper, a double integral quantitative evaluation method is proposed to simultaneously analyze the influence of two uncertain dynamic coefficients on the response amplitude and phase of casing measuring points. Meanwhile, the coupling influence of stiffness and damping accompanied by dramatic changes with rotational speeds are essentially discussed. As an example, a typical engine bearing-casing system with complex dynamic characteristics is analyzed. The impact of uncertain dynamic coefficients on the unbalance response is quantitatively evaluated.