考虑激振频率的可倾瓦推力轴承动特性理论与试验研究

为了研究激振频率对可倾瓦推力轴承动特性的影响,提出考虑激振频率的动特性建模方法和试验方法。依据可倾瓦轴承刚度和阻尼定义,将激振频率引入可倾瓦推力轴承动特性计算过程,通过建立轴向扰动下的膜厚方程、雷诺方程及瓦块运动方程,推导出包含激振频率的可倾瓦推力轴承动特性数学模型,计算分析刚度和阻尼随扰动频率(激振频率与主轴转频的比值)、转速及载荷的变化规律;采用脉冲激振法在可倾瓦推力轴承试验台进行动特性试验,得到不同激振频率、转速及载荷条件下刚度、阻尼的试验结果,并和相应的理论计算值进行对比分析。结果表明：当扰动频率较小时,可倾瓦推力轴承刚度随其增加而逐步增大,阻尼随其增加而逐步减小;当扰动频率增加到一定程度后,其刚度和阻尼逐步趋于稳定。此外,转速和载荷对其刚度和阻尼随扰动频率的变化幅度基本无影响。     

基于叶轮转子系统下的干气密封轴向振动分析*

为探究基于叶轮转子系统下干气密封轴向振动特性,基于干气密封结构特性,建立叶轮转子-轴承-干气密封系统轴向振动模型,采用待定系数法进行求解,推导得出静环轴向振动幅值表达式;建立叶轮转子-轴承-干气密封系统几何模型,运用ANSYS Workbench软件进行模拟仿真计算,分析气膜刚度和激振力对轴向振动的影响。结果表明:气膜刚度对动、静环振动幅值的影响不大;动、静环振动频率相同、振动幅值相同,说明动、静环的追随性高,其间隙稳定,从而保证干气密封的稳定运行;动、静环位振动幅值与激振力成正比关系,说明激振力严重影响干气密封的稳定性,为提高干气密封的稳定性,应平衡好叶轮的轴向激振力。     

试验台约束对滑动轴承动特性识别精度的影响

在滑动轴承的动特性测试中,试验台参数对动特性测试精度有重要的影响。以某倒置式轴承动特性试验台为研究对象,基于轴承动力学正反问题,提出滑动轴承动特性系数识别精度的仿真评估方法,分析不同激振频率时试验台约束参数对轴承动特性系数识别精度的影响规律,并对激振频率和约束参数的取值范围进行优选。结果表明：在较低激振频率的条件下,当约束刚度和约束阻尼取值较小时,动特性系数的识别精度受测试误差的影响不大,随着约束刚度和约束阻尼取值增大到一定值,动特性系数的识别精度受测试误差的影响迅速增大。针对研究的试验台,选择激振频率在30~300 Hz之间,选择试验台约束刚度小于试验轴承刚度的0.3%,试验台约束阻尼小于试验轴承阻尼的7%时,能够保证较好的轴承动特性系数的测试精度。     

无油涡轮增压器的设计及其试验研究

对采用空气箔片轴承支承的无油涡轮增压器进行了设计和试验性研究。详细阐述了无油涡轮增压器以及所采用的空气箔片轴承的设计过程。通过静态加载试验预估了空气箔片轴承的名义间隙,采用Link-Spring模型预测了空气箔片轴承支承结构的刚度,结合Link-Spring模型和雷诺方程,采用扰动法对轴承的动态刚度和阻尼系数进行了有效预测。线性转子动力学分析表明设计的无油涡轮增压器转子的前两阶刚体模态临界转速均在所用空气箔片轴承的起飞转速之下,转子的正常运行转速在一阶弯曲模态临界转速之下并具有足够的安全裕度。对整个转子系统进行了转子动力学分析与计算之后,在此基础上搭建了无油涡轮增压器试验台,初步的升降速试验结果表明：转子在20 kr/min~60 kr/min出现较大的次同步振动,但是转子在68 kr/min时次同步振动显著减小,转子在68 kr/min稳速时的轨迹以及FFT分析表明转子在该转速下的主要振动来自同步振动,这表明增压器可以在68 kr/min稳定运行。同时,实时测量了推力轴承和径向轴承的温度,在68 kr/min稳速期间,推力轴承和径向轴承温度分别在52℃和32℃处小幅波动,说明了该转子-轴承系统的相对稳定性。     

汽轮机汽封力对转子-轴承系统稳定性影响分析

汽流激振是汽轮发电机组轴系在运行中发生自激振动失稳的重要因素,文中结合汽封设计缺陷或装配不当引发的汽封流体力对转子-轴承系统稳定性的影响进行研究。用等效刚度和阻尼对流体力进行描述,进而分析在汽封流体力作用下致使汽轮机轴系失稳的机理,归纳各位置汽封对汽轮机组轴系稳定性的影响规律,为机组的安全稳定运行提供技术支持。     

静压轴承对电主轴转子系统动态特性的影响分析

静压轴承的性能对高精密平面磨床电主轴转子系统的动态特性起决定性的影响。以某高精密平面磨床电主轴转子系统为研究对象,应用弹簧阻尼单元模拟静压轴承,建立电主轴转子系统的有限元模型,分析其动态特性,得到静压轴承刚度及阻尼值对电主轴转子系统固有频率、动刚度及临界转速的影响特点。结果表明:前后端静压轴承刚度相同时,电主轴转子系统固有频率、临界转速与轴承刚度、阻尼成正变关系,动刚度与轴承刚度成反变关系与轴承阻尼成正变关系,轴承刚度大于3×105N/mm时,轴承阻尼值对系统临界转速影响很小,此时提高轴承阻尼值可以提高系统固有频率和动刚度,减小振动幅度,获得良好的动态性能;前后端静压轴承刚度不相同时,轴承刚度的波动对系统最小动刚度的影响比轴承刚度相同时更柔和,加工更稳定。     

螺旋槽气体轴承动态特性及失稳分析

针对高速动静压气体轴承气膜的复杂非线性动力学行为,以球面螺旋槽动静压气体轴承为研究对象,建立润滑分析数学模型;采用有限差分法与导数积分法进行求解,得到动态扰动压力分布及动态特性系数,并研究切向供气条件下螺旋槽参数、径向偏心率、供气压力、转速对气膜刚度阻尼系数的影响规律;建立线性稳定性计算模型,预测气膜涡动失稳转速,分析运行参数对失稳转速的影响。结果表明:气膜阻尼是一种抑制涡动的因素,气膜的稳定性取决于气膜刚度与阻尼的协同作用;气膜刚度阻尼随着槽宽比、槽深比、螺旋角的增大,整体上呈先增大后减小的趋势;刚度随转速的升高而增大,阻尼则随转速的升高而减小;径向偏心率和供气压力越大,气膜刚度和阻尼越大;在一定范围内,提高供气压力、增大径向偏心率能够提高系统失稳转速;合理地选取轴承结构参数和运行参数,能够优化轴承动态特性,保证气体轴承较高的运行稳定性。     

可倾瓦阻尼轴承的开发和应用

为了提高压缩机转子稳定性,降低转子振动和缓解气体激振等情况的发生,在可倾瓦轴承的基础上,研究开发了可倾瓦阻尼轴承;建立了阻尼器的流固耦合力学模型,计算出瓦块支点的刚度、阻尼系数,进而得到可倾瓦阻尼轴承的总刚度和总阻尼系数,并分析转子稳定性,最后通过在产品中的实际应用,验证了可倾瓦阻尼轴承的特性,为可倾瓦阻尼轴承的设计、产品稳定性的提高提供了理论支持与实践经验。     

三瓣式气体箔片径向轴承的静动态特性

针对一种新型三瓣式气体箔片轴承,考虑接触界面库仑摩擦后提出了相应的刚度计算模型,并通过求解动压气体润滑Reynolds方程,计算并分析了轴承的静态特性和动态特性。研究了转速、载荷、轴承预载和轴承安装角对该轴承静动态特性的影响。静态特性方面,轴承预载可以较大程度地提高承载能力,且高转速下承载能力更强;安装角度对承载能力的影响呈正/余弦规律变化,且随着转速增大,最大承载能力所对应的安装角不断减小,并最终稳定在70°。动态方面,轴承动态直接刚度随预载增大而显著增大,阻尼变化较小;轴承动态刚度和阻尼随安装角的变化也表现为正/余弦规律,且随安装角的增大,两直接刚度和两直接阻尼分别呈异步变化趋势。     

超超临界汽轮机转子密封激振特性研究

考虑非线性密封激振力、可倾瓦轴承的弹性支承力、转子阻尼力、转子不平衡力与重力,建立超超临界600MW汽轮机高中压转子-密封系统的非线性动力学模型。该非线性转子-密封系统动力学方程组具有超大规模的维数,采用Newmark数值积分方法对其进行求解,模拟出运行在正常工况下与最大工况下转子不平衡响应与汽流激振的特性;对转子不平衡量和密封流体的周向平均流速对汽流激振现象的影响规律进行分析。结果表明:在一定的范围内,不平衡量大小对发生汽流激振的失稳转速影响很小;密封内流体周向平均速比是影响汽流激振的失稳转速的主要因素,适当减小密封内流体周向平均速比可提高汽流激振的失稳转速;超超临界机组运行在最大工况下高中压转子发生汽流激振的失稳转速明显低于正常工况下的失稳转速。     

滚动轴承-转子系统动力学建模与仿真分析

以某细长轴实验平台为研究对象,考虑滚动轴承的接触非线性对滚动轴承—转子系统动力学特性的影响,将基座、轴承的振动纳入到研究范围内,建立了滚动轴承-转子-基座的动力学模型。采用变步长的Runge-Kutta方法对其求解,利用分叉图研究了系统在不同转速、不同转子质量偏心距和改变轴的刚度、改变支撑阻尼时的分叉特点和混沌行为;利用轴心轨迹图、poincare图、频谱图分析了系统在不同状态下的信号特点。结果表明,在细长轴的转子实验台上,随着转速的增加,系统的振动很大,稳定工作的周期运动区域很窄,转子工作时要时刻注意避免混沌运动;轴的刚度对转子的影响很大,大的刚度可使转子运动变得稳定,但同时也会将轴承的振动更多的传递到了转子上;质量偏心对系统的动力学特性有一定的影响,大的偏心会使转子的振动加剧、混沌运动区域变长、最小碰摩转速降低,因而在装配时必须尽量要避免偏心;支撑阻尼对转子系统的振动有很大的影响,随着支撑阻尼的增加,转子的振动幅值降低,混沌区域变窄,周期运动区域大大增加,系统容易稳定。     

轴承参数对平行转子—轴承系统动力特性的影响

在齿轮耦合的转子-轴承系统中,影响系统动力特性的因素很多,只研究了轴承组合形式、间隙比及宽径比对系统失稳转速、涡动比、临界转速及其分布以及系统阻尼特性的影响.发现在该系统中,存在着系统稳定运行的薄弱环节,当轴承组合形式、间隙比及宽径比产生变化时,系统的失稳转速也将产生变化,并表现出不同的阻尼特性.提出了用最小对数衰减率衡量系统跨越临界转速的能力,用涡动比判断哪个子系统首先失稳.     

基于流体域仿真的高速风机气浮箔片轴承动静特性研究

气浮轴承特性对高速风机转子稳定性有显著影响,气浮轴承的静特性与动特性计算是准确获得转子系统失稳转速的基础。通过建立气浮轴承物理模型,以及对应的流体域模型,设定气浮轴承工作状况下的参数,模拟其在工作状况下的流体域分布情况,调整轴心位置,找到标准工作状况下的轴心位置,实现气浮轴承的静特性计算。在静特性计算的结果的基础上,赋予轴颈同频的扰动,模拟流体域分布情况,得到在给定扰动情况下轴颈的受力情况,根据力的变化求解得到气浮轴承对应的刚度系数与阻尼系数,实现气浮轴承动特性的计算。结果表明：随着转速的不断提升,稳定时的轴心位置会逐渐向气浮箔片轴承的圆心靠近;在一定的工作转速范围内,轴承的直接刚度系数随着转速的提升而下降,直接阻尼系数则在工作转速范围内下降到达低值后上升。分析气浮轴承的特性系数与转速之间的变化规律,可为开展转子系统动力学研究提供理论基础。     

水轮发电组轴系仿真及动态特性分析

于立式布置的混流式水轮发电机组,由于横向振动的固有频率往往高于激振力的频率范围,转子轴承系统的动态特性需要特别关注,而系统的刚度及质量矩阵求解难度较大,所以用解析法求解水轮机主轴系统的临界转速比较繁琐.利用虚拟样机技术,以某电站水轮发电机组为例,通过建立水轮发电机组主轴系统的虚拟样机模型,快速计算了主轴系统的临界转速,分析了轴承刚度和阻尼对临界转速的影响.仿真得出结论:通过改变导轴承支撑刚度可以改变临界转速,轴承与主轴系统的动态性能指标是相互制约的.因此在高速旋转机械动力学设计时,轴承与转予设计必须一起协调进行,轴承刚度的动态特性不容忽略.     

采用箔片轴承的高速透平转子动力学分析

为研究采用箔片轴承的转子轴承系统的动力学特性,以高速透平膨胀机的轴承转子系统作为研究对象,建立有限元转子动力学模型,得到转子系统对应的临界转速大小,并计算轴承支撑刚度对转子系统临界转速的影响,揭示高速透平膨胀机转子涡动频率随转速的变化规律,获得轴承刚度、阻尼特性对轴承稳定性的影响。同时,为了更加准确地描述转子的运动状态,对转子系统进行时域分析,得到转子轴心轨迹和相应的频谱分析,并将时域分析结果与实验测试结果相对比,发现两者吻合良好。数值计算结果表明:箔片轴承的良好的刚度、阻尼特性使高速透平转子系统具有较宽的工作转速和更好的稳定性;对于转子系统的时域分析可以更加直观准确地描述转子的运动状态。     

联轴器不对中故障转子系统的动力学试验

建立了一个多跨转子-轴承系统试验台,并进行了具有联轴器不对中故障的转子-轴承系统动力学试验,重点分析了平行不对中和交角不对中转子的动力学特性和振动机理。试验结果表明,在不对中转子系统的稳态响应中,除了工频外还存在倍频振动分量,并且随着转速的提高倍频分量增大。在转速较低时,不对中转子的轴心运动具有同步振动特征;随着转速的增加,轴心轨迹呈现出"8"字形或多环椭圆形,且轴心轨迹在某些位置处曲率变化较大。对于具有平行不对中故障的转子-轴承系统,在转速较高时,还会出现和差型谐波振动分量。     

气体动压轴承非线性动力学行为和稳定性预测

以球面螺旋槽气体动压轴承为研究对象,建立三维微气膜瞬态流场数学模型,采用流体动力学软件,对轴承三维气膜压力场进行仿真分析,得到使轴承承载能力最大的结构参数和运行参数。研究在最大承载力下,不同转速和偏心率对气体轴承瞬态刚度系数和阻尼的影响规律,探索气浮轴承瞬态非线性动力学行为。模拟出转子受转速影响下的轴心轨迹图,研究轴承-转子系统的稳定性。研究结果表明:槽宽比、槽深比、偏心率对轴承承载特性的影响明显;提高转速和偏心率有助于轴承的稳定,但随着转速的升高,轴承转子系统的稳定性接近临界状态,导致轴承转子系统不稳定,而较大的偏心率,易导致轴承产生碰摩现象,也破坏了轴承的稳定性,因此,在轴承设计过程中应合理选择轴承的设计参数,提高轴承的综合性能。     

静压气体轴承静刚度的动态测试新方法

以环面节流静压气体球轴承为例,建立轴承动静态刚度与气膜位移-动态力频响函数的数学模型;借助数学分析和数值试验,从理论上揭示了轴承气膜位移-动态力频响函数与气膜静刚度、动刚度之间的联系,指出静压气体轴承静刚度的测量可以通过测量低频下气膜频响函数的幅频特性来代替.介绍球轴承气膜幅频特性测试装置的工作原理及测试系统固有模态对测试结果的影响.实测结果表明,静压气体轴承静刚度的动态测试新方法是正确可行的,气膜与承载质量构成的本质非线性二阶振动系统,其低频段的动态刚度数值仍然等于该工作点处的静刚度.新的测试方法,能够实现轴承静态刚度的在线自动测试,提高静刚度的测试精度和效率;将激振频率扩展到机械系统通常涉及的频段后,可以同时得到轴承的动静态刚度和气膜位移-动态力的幅频特性,这对于气体轴承稳定性及精密轴系动态性能的研究具有重要的意义,是轴承的静态测试所无法实现的.     

径向-推力联合浮环动静压轴承动态特性试验研究

在径向-推力联合浮环动静压轴承理论计算和分析的基础上,设计制造了轴承试件及相关的试验装置,改制了试验台。采用静动法和激振法相结合首次测得了径向部分内外膜8个刚度系数和轴向部分2个刚度系数及径向部分总的4个阻尼系数和轴向部分的1个阻尼系数。根据试验数据绘制不同转速下各动特性系数随偏心率的变化曲线,并与理论计算结果进行比较,二者基本一致。     

磁气负载比对箔片-磁力混合轴承支承特性及转子动力学特性的影响

箔片-磁力混合轴承是一种能降低箔片轴承起飞前的摩擦损耗且可改善磁轴承高速时的承载和动力学性能的新型高性能主动控制型轴承。提出了一种箔片-磁力混合轴承的设计方法,设计并搭建箔片-磁力混合轴承支承特性实验台和箔片-磁力混合轴承转子实验台,实验探究了磁气负载比(即气体箔片轴承和主动磁轴承之间的载荷分配比)对箔片-磁力混合轴承支承特性和转子动力学特性的影响。实验结果表明：箔片-磁力混合轴承比箔片轴承的总体静态刚度和刚度变化率有所提高。箔片-磁力混合轴承结构刚度随频率的提高而增大,等效黏性阻尼随频率的提高呈现先降后增的趋势。此外,合适的负载比可以降低起飞转速,改善摩擦损耗,抑制次频振,有利于提高转子的高速稳定性。