螺旋槽小孔节流动静压气体轴承动态特性分析*

为进一步改善小孔节流动静压气体轴承的稳定性,对螺旋槽小孔节流动静压气体轴承的动态特性进行了研究。建立不定常工况下的动态雷诺方程,采用偏导数积分法求解动态特性系数。研究有无螺旋槽、涡动比、转速、供气压力以及槽宽和槽深对轴承动态特性的影响规律。结果表明:螺旋槽可以显著提高轴承的动态特性,增加轴承的稳定性;随涡动比的增大,直接刚度系数增加,交叉刚度系数和各阻尼系数都减小;随转速的增大,各刚度系数增加,而各阻尼系数减小;随供气压力的增大,各刚度和阻尼系数均增加;随槽宽的增大,直接刚度系数和阻尼系数呈先增加后减小趋势,交叉刚度系数和阻尼系数变化较小;随槽深的增大,直接刚度系数增加,交叉刚度系数和各阻尼系数先增加后减小。     

基于壳单元模型的箔片气体动压轴承静、动态特性分析

采用壳单元模型模拟箔片结构,考虑箔片在气膜压力作用下的凹陷和运动,以及波箔、顶箔和轴承套之间的相互作用,耦合有限差分法求解雷诺方程,建立预测箔片气体动压轴承性能的仿真分析模型。通过试验验证了理论模型的正确性,并分析了轴承的静、动态特性,结果表明：随载荷增大,偏心率增大,姿态角减小;随转速升高,偏心率和姿态角减小;随轴承长径比增大,偏心率减小,姿态角增大;随间隙比增大,偏心率和姿态角增大;随载荷增大,动态直接刚度系数明显增大,动态直接阻尼系数出现波动;随波箔凸起周向间隔角增大,动态刚度系数变化不大,在低载荷下动态阻尼系数变化不大,在高载荷下有一定变化;随顶箔、波箔厚度增大,动态刚度系数和动态阻尼系数变化不大;随轴承长径比增大,动态直接刚度系数和动态直接阻尼系数明显增大,交叉刚度系数减小;随间隙比增大,动态直接刚度系数和动态直接阻尼系数减小。     

箔片动压气体轴承转子系统动态特性试验研究

在箔片动压气体轴承的润滑分析模型和动态特性数学模型基础上,结合牛顿力学方程,建立箔片动压气体轴承-转子系统动力学方程,并研究其刚度和阻尼系数的计算方法;试验测量箔片动压气体轴承-转子系统的振动及速度,计算其刚度和阻尼系数;结合图谱法分析箔片动压气体轴承-转子系统在升速过程中的线性失稳和非线性失稳现象,研究转速对其刚度和阻尼系数的影响规律。结果表明：箔片动压气体轴承-转子系统主刚度系数整体随着转速的升高而增大,而交叉刚度整体随着转速的增加而减小且变化趋势相对较为平缓;阻尼系数整体随转速的提高而减小;系统自身阻尼抑制了扰动和低频能量的聚集,避免了箔片振动发生,从而有效地提高了系统运行的稳定性。提出的动态特性系数计算方法结合气体润滑理论与动力学模型,并结合试验测试,可以有效地获得轴承-转子系统的动态特性。     

压电-金属丝网块气体箔片轴承的静动态特性

在气体箔片轴承内添加压电陶瓷块和金属丝网块改进主动气体箔片轴承(AGFB)的结构,通过压电陶瓷块实现轴承径向预载的主动控制,同时通过金属丝网块提高轴承结构阻尼。首先,为了分析主动气体箔片轴承弹性结构的力学性能,提出耦合压电陶瓷块-金属丝网块子结构、波箔和顶箔的弹性结构力学模型;其次,采用耦合弹性结构力学模型和可压缩气体雷诺方程预测了主动气体箔片轴承的静态和动态特性;最后,针对不同参数对轴承动态性能的影响进行参数化讨论。结果表明：金属丝网块的过盈量和相对密度以及电压的增大均会导致轴承的动态直接刚度和阻尼系数增大,较小的名义间隙会导致轴承的动态直接刚度和阻尼系数较大。     

湍流润滑动静压气体径向滑动轴承性能研究

以动静压气体径向滑动轴承为研究对象,考虑湍流润滑,基于有限差分方法求解引入湍流因子改良的可压缩雷诺润滑方程,计算湍流润滑动静压气体径向滑动轴承的压力分布,获得轴承承载力、静态刚度、交叉刚度、主刚度、交叉阻尼和主阻尼等表征动静压轴承静动态特性的基本参数,并分析偏心率、槽深、槽数、长径比等结构参数及轴颈转速和供气压力等工况对轴承静动态性能的影响规律。结果表明：连续性狭缝湍流润滑动静压气体径向滑动轴承的静态特性优于非连续性狭缝;轴承承载力随着偏心率、长期径比的增大而增大,随着槽区长度、槽深的增大而减小,槽数对承载力影响不大;轴承静态刚度随着偏心率的增大先增大后减小,随着长径比、槽深、槽数的增大而增大,随着槽区长度的增大而减小;较大的转速和供气压力有助于提升轴承的承载力和静态刚度;随着偏心率的增大,交叉刚度逐渐增大,主刚度先增大而减小,而交叉阻尼和主阻尼均增大。     

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。     

转子三维偏心下气体箔片轴承的静、动态承载特性分析

为分析转子三维偏心下气体箔片轴承的静、动态承载特性,通过引入2个偏心角来描述转子三维偏心状态,并建立了三维偏心下气体箔片轴承的静、动态承载特性及轴承-转子系统动力学计算模型。以某气体箔片轴承为例,分析了其静、动态承载特性及转子动力学特性,结果表明：转子的三维偏心会导致气膜力分布在轴向上偏移;随转速增大,气膜的各向等效刚度、等效阻尼均不接近于0;随偏心角增大,气膜的各向等效刚度、等效阻尼近似呈指数增大;转子的运转从初始的三维偏心过渡至稳定时的二维偏心,最终在平衡位置处以低频、小振幅的振动形式稳定运转。     

螺旋槽小孔节流动静压气体轴承静态特性研究

以螺旋槽小孔节流动静压气体轴承为研究对象,运用变分法求解雷诺方程,利用Fluent软件对轴承静态特性进行仿真分析,研究供气压力、偏心率、转速以及节流孔直径、螺旋槽宽度和深度对轴承静态特性的影响规律。结果表明:相同偏心率下,随供气压力的升高,轴承静态特性增强;相同供气压力下,偏心率越大,承载能力越高,刚度越小;螺旋槽能够显著提高轴承静态特性,且转速越大,螺旋槽对轴承的动压效应越好;保证其他结构参数不变,轴承静态特性随螺旋槽宽度的增加先增大后减小,螺旋槽深度和节流孔直径越小越有利。     

狭缝节流动静压气体径向滑动轴承性能研究

以狭缝节流动静压气体径向滑动轴承为研究对象,采用有限差分方法求解其可压缩气体润滑Reynolds方程,获得压力分布,进而获得轴承承载力、刚度、阻尼等表征滑动轴承静动态特性的参数,并分析偏心率、长径比、槽宽比等轴承的结构参数及供气压力和转速等工况对轴承动静态性能的影响规律。结果表明:在轴承其他参数确定的情况下,连续性狭缝轴承较非续性狭缝轴承具有更大的承载力和刚度;增大偏心率、长径比、供气压力和减小槽宽比均能增加轴承的承载力和刚度;大偏心率、高转速下轴承动压效应突出,可有效提高轴承的承载能力和稳定性能。     

带人字槽和轴向微通槽的动静压气体轴承静态特性

设计带人字槽和轴向微通槽的动静压气体轴承,运用FLUENT对其静态特性进行仿真分析,通过改变轴向微通槽深度、偏心率、气膜厚度、供气压力等参数,研究其对轴承刚度和承载能力的影响。结果表明：其他条件不变,偏心率越大,轴承刚度越小、承载能力越大;人字槽可以提升气体轴承的承载能力和刚度,主轴转速越快,动压效应越强,轴承刚度和承载能力越大;随微通槽深度增加,轴承刚度先增大后保持稳定,轴承承载能力先增大后减小,因此当微通槽深度过大时,轴承刚度变化不大,但轴承承载能力会减小。     

可倾瓦气体动压轴承承载能力的数值分析

应用MATLAB的偏微分方程工具箱,采用有限元法求解气体润滑Reynolds方程,通过完全装配分析法计算了可倾瓦动压气体轴承的承载能力,研究了轴承偏心和瓦块预负荷对可倾瓦轴承的承载能力、最小气膜厚度和最大气膜压力以及瓦块摆角的影响。计算结果表明,随轴承偏心或瓦块预负荷增大,各瓦块的承载能力和摆角发生明显变化,轴承的最小气膜厚度减小,最大气膜压力增大,承载能力增大。从理论上解释了可倾瓦轴承的承载能力与轴承偏心和瓦块预负荷的密切相关性。     

多叶动压气体滑动轴承静态特性的有限差分算法

多叶动压气体滑动轴承因其结构简单、摩擦阻力低、旋转精度高和无环境污染等优点,在高速离心分离机、空气压缩机和透平膨胀机等旋转机械中应用广泛。为探究多叶动压气体滑动轴承的静态性能,通过数学变换将三叶动压轴承的气体润滑Reynolds方程转化为标准偏微分方程形式,利用有限差分法和超松弛迭代法进行数值求解,研究气膜厚度和气膜压力分布、承载力、摩擦因数和质量流量等静态性能,随偏心率、预负荷系数、轴承数、长径比及瓦块分布位置的变化规律。结果表明：三叶轴承的承载力和轴颈表面摩擦因数随偏心率和长径比的增加而增加,而偏位角和质量流量随偏心率和预负荷系数的增加则呈现出相反的变化趋势;随着轴承数和预负荷系数的增大,承载力和摩擦因数显著提高,偏位角和质量流量则逐渐减小;瓦块分布位置对三叶动压气体滑动轴承的静态性能影响显著,其中瓦上承载方式的承载力、偏位角和质量流量明显高于瓦间承载方式。     

考虑支点偏置的多孔质可倾瓦轴承静态特性分析

为探究瓦块支点偏置对多孔质可倾瓦轴承静态性能的影响,建立多孔质可倾瓦轴承的热混合润滑模型,应用Fluent软件分析轴承静态特性;采用网格迭代算法和瓦块运动UDF对轴承各瓦块沿枢轴运动及摆动进行模拟,研究偏心率、转子转速、供气压力及枢轴支点偏置对轴承负载能力、质量泄漏量、摩擦扭矩和温升的影响。结果表明：增加轴承支点偏置可提高轴承承载力,特别是在高偏心率、高转速、低供气压力条件下,承载力提高更为明显;在偏心率和转速相同时,适当的支点偏置可显著降低轴承对气体的消耗：但支点偏置会增加摩擦力矩,使转子温度升高,应合理选择支点偏置避免温升对轴承的不利影响。研究结果为多孔质可倾瓦轴承的优化设计提供了参考。     

静压孔位置对油膜支承可倾瓦轴承承载性能的影响分析

为了提高汽轮机转子系统中支承轴承的油膜刚度,以三瓦油膜支承可倾瓦轴承为研究对象,研究静压孔相对位置对轴承承载性能的影响规律。建立了油膜支承可倾瓦轴承油膜润滑模型,并运用计算流体动力学方法数值求解三维N-S方程,揭示了不同静压孔相对位置下轴承压力分布、最小膜厚、偏心率、刚度等性能参数的变化规律。分析结果表明：在载荷为890 N的情况下,改变孔的位置可以提高轴承油膜刚度;当静压孔相对位置γ=5°左右时,孔位置接近油膜最大压力分布区,与γ=0°时相比,最小膜厚和偏心率分别减小9.8%和48%,主刚度kyy、kxx接近原结构的1.4倍和1.1倍,此时静压孔位置为相对最优位置区域。依据分析结果开发了新型油膜支承可倾瓦轴承（γ=5°）,通过试验对比分析了普通滑动轴承与新型油膜支承可倾瓦轴承的综合性能,结果表明,高转速时所开发的新型油膜支承可倾瓦轴承具有更好的承载性能与减振性能。研究结果对油膜支承可倾瓦轴承的性能分析具有一定的参考价值,设计轴承静压孔时可根据油膜压力分布规律对其优化以提高轴承性能。     

超临界二氧化碳动静压径向可倾瓦轴承实验台设计与实验研究

针对超临界二氧化碳(S-CO₂)动力机组在启动和停止阶段气体轴承产生非常大的摩擦磨损,以及气体轴承承载力低、刚度低、阻尼小、稳定性较差等问题,设计并改进一种新型动静压S-CO₂润滑径向可倾瓦轴承结构。设计并搭建S-CO₂润滑轴承实验台,针对于实验台转子刚启动和极低转速工况,对新型S-CO₂润滑动静压径向轴承在静压状态下的动态特性进行实验研究,得到轴承的动态刚度和动态阻尼,并分析静压对轴承动态性能的影响。实验结果表明,设计的S-CO₂动静压径向可倾瓦轴承在启停阶段,在轴瓦与轴颈之间产生了足够的静压压力,可将二者完全分隔开,从而能减少启停阶段的摩擦磨损;随着静压压力的增大,轴承X、Y方向上的整体刚度、主阻尼都增大,且2个方向的主刚度系数差别不大,而交叉刚度和交叉阻尼都接近于0。研究结果为进一步揭示S-CO₂润滑径向轴承动压状态特性提供参考。     

Vibratory behaviors of Jeffcott system on cylindrical roller bearings

A Jeffcott rotor system on cylindrical roller bearings is studied in detail. Its critical speed is calculated by a new calculation method with roller bearing stiffness and damping. The influences of bearing parameters, such as the roller length, rotor mass, distance between the bearings and the kinematics viscosity of lubrication on the system critical speed are numerically studied, and the influences of an oil film and damping on the critical speed are also studied. Regular curves of the relationship between the geometric parameters and the system critical speed are obtained. The results show that with increasing roller length and radial load, the critical speed increases; and with increasing rotor mass and the distance between the bearings and the kinematics viscosity, the critical speed decreases. This means that an oil film will decrease the critical rotational speed of the rotor system.     

Theoretical considerations of static and dynamic characteristics of air foil thrust bearing with tilt and slip flow

The thrust pad of the rotor is used to sustain the axial force generated due to the pressure difference between the compressor and turbine sides of turbomachinery such as gas turbines, compressors, and turbochargers. Furthermore, this thrust pad has a role to maintain and determines the attitude of the rotor. In a real system, it also helps reinforce the stiffness and damping of the journal bearing. This study was performed for the purpose of analyzing the characteristics of the air foil thrust bearing. The model for the air foil thrust bearing used in this study is composed of two parts: one is an inclined plane, which plays a role in increasing the load carrying capacity using the physical wedge effect, and the other is a flat plane. This study mainly consists of three parts. First, the static characteristics were obtained over the region of the thin air film using the finite-difference method (FDM) and the bump foil characteristics using the finite-element method (FEM). Second, the analysis of the dynamic characteristics was conducted by perturbation method. For more exact calculation, the rarefaction gas coefficients perturbed about the pressure and film thickness were taken into consideration. At last, the static and dynamic characteristics of the tilting condition of the thrust pad were obtained. Furthermore, the load carrying capacity and torque were calculated for both tilting and nontilting conditions. From this study, several results were presented: (1) the stiffness and damping of the bump foil under the condition of the various bump parameters, (2) the load carrying capacity and bearing torque at the tilting state, (3) the bearing performance for various bearing parameters, and (4) the effects considering the rarefaction gas coefficients.     

高速齿轮传动可倾瓦轴承预负荷系数影响研究

可倾瓦轴承因其稳定可靠的特点被广泛应用于现代工业,相关研究也蓬勃发展起来,但目前关于可倾瓦轴承预负荷系数的研究主要集中在低转速领域。以DyRoBeS软件为研究工具,取普遍使用的5块瓦可倾瓦轴承作为研究对象,分析在20 000 r/min、40 000 r/min、60 000 r/min的高转速工况下,预负荷系数对可倾瓦轴承工作性能的影响,为高速齿轮传动中可倾瓦的设计应用提供理论依据。预负荷系数从0.1增加至0.7的过程中,对功率损失影响不大,使最大油膜压力与刚度系数增加,最小油膜厚度与阻尼系数减小。预负荷系数的混合设置会影响各瓦块压力分布,同时使最小油膜厚度以外的轴承性能参数明显增加。所得结论对高转速可倾瓦轴承的优化设计起到积极的作用。     

Effects of Three-Lobe Bearing Geometries on the Unbalance Response of a Flexible Rotor

The synchronous response due to unbalance was studied both theoretically and experimentally for a three-mass rotor mounted in three-lobe and axial-groove bearings. Offset factor, preload factor and load orientation were parametrically varied for the three-lobe bearings. Theoretical predictions indicate that low preload factors (with offset factors of 0.5) result in the smallest critical speed responses. Also, for a preload factor of 0.75, offset factors of approximately 0.65 minimize the critical speed response. Experimental data for peak responses agree within 42 percent (usually much less) of predictions. Reasons for the differences are attributed to the predicted bearing stiffness and damping coefficients.