稀薄效应对动压气体轴承静动特性的影响

为研究稀薄效应对微小间隙下动压气体轴承静动态特性的影响,分别采用连续模型、一阶滑移模型以及在任意克努森数下都与线性玻尔兹曼方程解有较高吻合的WU新滑移模型,基于有限体积法建立考虑稀薄效应的静动态Reynolds方程,给出3种模型下轴承静态承载力与偏心率、轴颈扰动频率与轴承动特性系数的变化关系。数值分析结果表明:随偏心率的变化,连续模型预测的静态承载力最大,一阶滑移次之,WU新滑移模型预测的值最小;随着扰动频率的增加,考虑滑移模型计算的主刚度系数和主阻尼系数均有减小的趋势,且WU新滑移模型计算的主刚度系数和主阻尼系数明显低于连续模型和传统的一阶滑移模型。传统连续模型和一阶滑移模型过高地估计了轴承的静动特性系数,WU新滑移模型计算的结果更为准确。     

稀薄效应对静压气体轴承性能影响

针对微小气膜间隙下静压气体轴承内部气体的稀薄效应,运用有限体积法离散了体现稀薄效应的滑移修正Reynolds方程,通过MATLAB软件分析稀薄效应下轴承内部压强,并对轴承承载力及最终刚度变化进行研究。通过与不考虑稀薄效应的连续模型对比发现,当气膜间隙小于1μm时,最小气膜间隙处一阶滑移及Wu新滑移模型的气压、承载力及最终刚度远低于连续模型,模型间的结果偏差随气膜间隙的减小而迅速增大。     

变高度螺旋倾斜槽气体轴承的微尺度数值模拟

基于平面螺旋槽气体止推轴承结构,结合以对数螺旋线为素线的空间螺旋曲面结构,提出一种新型气体止推轴承模型。通过坐标变换推导出适应对数螺旋线轨迹的流量方程,引入一阶滑移和新滑移边界条件修正流量方程,应用数值方法迭代求解了连续型模型和2种滑移模型下新型气体止推轴承的气膜压力分布。结果表明:微尺度下随着气膜厚度减小,边界速度滑移效应会对轴承承载力特性产生很大影响;当Knudsen数增大到过渡区时,一阶滑移和新滑移模型之间的偏差明显增大;在相对较低的转速下,新型轴承的承载力相较于传统轴承明显增大。     

稀薄气体效应对止推箔片轴承的性能影响

为研究稀薄气体效应对微小间隙下气体止推箔片轴承承载力的影响,分别采用连续模型、一阶滑移模型和WU新滑移模型速度边界条件,建立考虑稀薄气体效应的修正雷诺方程,运用有限差分法求解修正雷诺方程,得到3种模型不同箔片变形柔度系数、不同转速、不同轴承间隙下的微型止推箔片轴承的压力分布和轴向承载力。结果表明:止推箔片轴承的箔片变形柔度系数越小,转速越高,轴向承载力越大;在轴承最小间隙低于0.5μm、转速低于20 000 r/min条件下,稀薄气体效应会使止推箔片轴承承载力降低,且一阶滑移及WU新滑移模型的气压和承载力远低于连续模型,模型间的结果偏差随轴承间隙、转速和箔片变形柔度系数的减小而逐渐增大。     

锥台型气体润滑动压轴承动力学数值模拟研究

针对高精密陀螺电机气体润滑动压轴承间隙复杂流动特点,分析轴承的静态特性和推导一阶滑移边界条件。采用基于无滑移边界和一阶滑移边界条件的计算流体力学方法模拟气体润滑动压轴承间隙复杂流动,计算获得不同偏心距轴承的静态载荷、刚度、功率和偏位角等参数,并与轴承试验结果进行对比分析。研究结果得出,在自重条件下轴承试验测量刚度结果位于无滑移和滑移边界条件数值模拟结果之间,比无滑移边界条件计算结果小约10%,比一阶滑移边界计算结果大约44%,表明轴承间隙流动只存在局部滑移;数值模拟结果的偏位角方向与试验结果一致,分别相差4°和2.6°左右。研究结果可为陀螺电机气体润滑轴承设计提供技术参考。     

微转子系统径向气体轴承特性

充分考虑滑移边界条件的影响,利用数值计算方法对微机电系统(Micro-electro-mechanical systems, MEMS)中微转子系统径向气体轴承的雷诺方程进行修正求解,得到轴承内部真实的气压分布,进而求得微气体轴承的承载能力和偏位角.通过与宏观无限短轴承模型的结果进行对比分析,发现滑移效应对气体轴承特性的影响规律.宏观无限短轴承模型和无滑移边界模型均会高估气体轴承的承载能力,特别是偏心率较高时(ε>0.6),产生的偏差更大;微转子系统在高速或超高速工况下运转,可以提高气体轴承的气压和承载能力.     

基于格子Boltzmann方法的动压气体轴承黏性热耗散研究

箔片气体轴承微间隙内的流场常处于滑移区,甚至过渡区,会出现一些微观效应,其热特性的研究采用宏观方法已不再合适。为研究不同工况下动压气体轴承间隙热特性变化规律,基于格子Boltzmann方法建立包含黏性热耗散项的径向轴承间隙传热数值模型;采用总能形式的双分布函数热模型,通过有限差分离散将其应用到贴体网格中,同时引入速度滑移和温度阶跃边界条件,通过数值计算得到不同参数下的轴承间隙气膜温度分布,并分析了不同埃克特数（Ec）、偏心率和转速条件以及温度阶跃对黏性热耗散的影响。结果表明,当Ec数、偏心率和转速增大时,气膜最高温度增加,两侧的温度阶跃增加;温度阶跃效应的忽略均会导致黏性热耗散量不同程度的低估。     

基于数值模拟的小孔节流空气静压轴承静动态特性研究

为了提高小孔节流空气静压轴承的静动态性能,基于流体力学和固体力学的基本控制方程,建立小孔节流空气静压轴承双向流固耦合数值模拟模型;采用静态数值模拟方法获取了设计参数对承载力和刚度的影响规律,进一步对微气膜间隙内三维流场特性进行了分析,有效降低了微气膜间隙内气体冗余现象对空气静压轴承动态稳定性的影响,并在数值计算的基础上对空气静压轴承结构和工作参数进行优化设计;在气体静压试验平台上对自行研制的空气静压轴承进行静动态特性测试。试验结果表明:所提出的数值模拟方法具有很好的预测效果;所采用的优化设计方法能够显著提升空气静压主轴的静动态特性。     

精密离心机静压气体轴承主轴系统的动力学特性分析

精密离心机静压气体轴承主轴系统的动力学特性分析是保障其标定加速度仪精度的重要研究课题。通过在 小孔节流静压气体轴承的雷诺方程式中加入节流孔的流量项,使计算得以简化;采用了泛函求极值法将二阶偏微 分方程离散化,用有限元法进行了承载能力和刚度的数值求解。把描述静压气体轴承工作的偏微分方程式(雷诺 方程)与建立的静压气体轴承主轴系统的动力学数学模型合并直接数值求解,提高了计算精度和可靠性。     

含运动副间隙的涡旋压缩机驱动轴承动力学仿真分析

以某卧式涡旋压缩机转子系统为研究对象,针对动涡盘倾覆力矩作用下运动副间隙对驱动轴承动力学特性影响问题,建立含运动副间隙的转子系统动力学模型,根据计算结果在ADAMS软件中添加气体力进行仿真分析。仿真结果表明:运动副间隙对驱动轴承的加速度和碰撞力影响较大,轴承存在固定的偏磨区域,且间隙越大影响越显著,转子系统的精度和可靠性越差。仿真结果为涡旋压缩机的优化提供了重要的理论参考。     

微气体轴承-转子系统动力特性研究

针对微气体轴承,基于1阶速度滑移边界,推导得到修正Reynolds方程,然后采用双向隐式算法(ADI)求解动态Reynolds方程,得到轴承非线性气膜力,并结合刚性转子运动方程,计算转子系统不平衡响应,得到了转子轴心轨迹、时间历程、功率谱和Poincare图等,分析了微气体轴承-转子系统的动力特性。分析表明,随着转子转速的升高,转子系统运动表现出倍周期和概周期等复杂的动力特性。     

小孔节流静压气体轴颈轴承主轴系统的动态特性分析

通过对小孔节流静压气体轴颈轴承的雷诺方程与描述主轴系统的动力学数学模型联立直接进行数值求解,分析了轴承系统的动力学特性,研究了在不平衡质量作用下轴承主轴系统的响应。结果表明,由于精密离心机小孔节流静压气体轴承的支承刚度大,承载能力高,旋转主轴的运动是稳定的。但在一定条件下,旋转主轴有可能出现不稳定现象,这取决于主轴绕固联坐标系各轴之转动惯量间的关系、轴承支承刚度、主轴旋转速度和不平衡质量控制等因素。该方法用于精密离心机静压气体轴承主轴系统动力学的数值计算,提高了计算精度和可靠性。     

考虑间隙影响的滑动轴承稳定性分析

为了进一步提升轴承的工作性能,以某型滑动轴承为研究对象,建立流体润滑的数学模型,根据压力扰动法得到轴承动态特性系数,并在此基础上求解轴承-转子系统的失稳转速;以轴承间隙为设计变量,利用MATALA进行数值仿真,分析轴承间隙对最小油膜厚度、油膜压力分布、动态特性系数以及失稳转速的影响。仿真结果表明:增大轴承间隙以及减小轴承宽度都会使得最小油膜厚度增加;油膜压力随着轴承间隙的增加而减小;增大轴承间隙会减小轴承动态特性系数的绝对值;增大轴承间隙会减小转子的失稳转速,降低系统的稳定性。     

动压气体轴承-转子系统稳定性分析

本文建立了普通圆柱型动压气体轴承支承的单盘转子系统模型,写出了系统的运动方程,并引用气体轴承的动力特性数值分析所得到的8个动力特性系数,利用Routh-Hurwitz准则,研究了系统的稳定性,计算表明所设计的轴承-转子系统在设计转速范围内的运转是稳定的。讨论了气体轴承结构参数偏心率,长径比及平均径向间隙对稳定性的影响,得出了应当采用小偏心率,小长径比,大平均径向间隙提高轴承转子系统稳定性的结论。     

轴承组件动态特性研究

在轴承组件系统动力学分析的基础上,建立了轴承组件系统动态响应分析数学模型,运用子空间算法和Newm ark算法,在各种工况下对轴承组件进行了动态响应分析和频谱分析,并进行了试验验证。试验结果表明,所建立的轴承组件动态特性分析模型是正确的和可行的。     

基于SIMULINK的齿轮-转子-轴承系统非线性动力学仿真

根据拉格朗日方程,建立了齿轮-转子-轴承传动系统平移-扭转耦合非线性动力学模型,模型中考虑了齿轮系统阻尼、齿侧间隙及滚动轴承径向间隙非线性,对动力学方程进行无量纲化处理,将方程组转化为统一的矩阵形式。利用MATLAB/SIMULINK仿真软件对齿轮间隙非线性动力学模型进行数值仿真,通过建立仿真模型,对其在某些参数域中进行了非线性振动研究,分析参数变化对系统稳态响应的影响。结果表明,在一定的激励频率区间内,随着激励频率的减小,系统的响应首先由单周期谐振动响应演变为二周期的次谐响应,然后演变为四周期的次谐响应,最后表现为混沌响应;在齿侧间隙相同的前提下,轴承支承间隙加强了系统的非线性。基于SIMULINK数值仿真的方法可以很方便的求解更加复杂的齿轮传动系统动态响应,为深入研究齿轮非线性动力学问题提供了一种方法。     

考虑杆件柔性的间隙机构系统磨损分析

基于机械系统动力学分析软件ADAMS建立了含多间隙曲柄滑块机构的动力学模型,利用冲击函数理论模拟间隙处的接触碰撞作用,详细研究了构件柔性和铰链间隙对机构系统动力学特性的影响,并应用Archard磨损模型对间隙运动副的磨损进行了预测。当考虑杆件柔性时,应用ANSYS程序创建连杆的有限元模型,取连杆的前五阶模态导入ADAMS中建立含柔性连杆的多间隙机构动力学模型并进行动力学仿真计算,结果发现,考虑杆件柔性时的间隙机构系统动态行为在很大程度上趋于理想机构,在曲柄转动一个周期的过程中间隙运动副除在几个特定的位置处发生了较大的碰撞外,轴销与轴套均保持连续接触,且预测所得的磨损量也较小。     

微尺度流动模型研究

对微尺度气体流动及其适用模型进行综述,并以微通道内气体流动为例,采用基于宏观连续介质假定的无滑移、一阶滑移和修正二阶滑移模型,以及基于分子运动的DSMC方法分别进行数值研究,分析不同努森数下各流动模型的适用性.     

单级齿轮传动系统的Hopf分岔与混沌研究

为研究齿轮传动系统中齿侧间隙等非线性因素对系统振动特性的影响,综合考虑齿侧间隙、时变啮合刚度、综合啮合误差和轴承纵向响应,建立了三自由度单级直齿轮副传动系统的扭转振动非线性动力学模型;采用变步长4-5阶Runge-Kutta法,对系统运动的状态方程进行了数值求解;构建了系统的Poincaré截面,得到了系统的分岔图。结合系统相图、Poincaré映射图及FFT频谱图,分析了系统在激励频率变化时的动力学特性,发现系统在不同激励频率下会发生Hopf分岔、环面倍化、擦切分岔及倍化分岔。     

气体动压径向短轴承动力学和分岔分析

径向气体润滑轴承是精确定位以及微旋转机械中的重要部件,其非线性动力学特性对整个器件的稳定性和可靠性具有重要的影响。文中以气体动压径向短轴承—转子系统为研究对象,建立气体轴承—转子系统耦合非线性动力学方程,以轴承数为分岔参数,分析长径比为0.75时在不同初始偏心率条件下,系统动力学特性随转子转速变化的影响。