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。     

基于轨迹法的气体箔片轴承动态特性系数辨识

气体箔片轴承的动态特性系数(动态刚度系数和动态阻尼系数)是该类轴承支承转子系统的瞬态动力学计算和稳定性分析的重要参数,针对传统基于摄动法的动态特性系数计算仅考虑单个涡动比,提出基于轨迹法的动态特性系数辨识方法,对转子施加简谐激励,联立气膜雷诺方程和转子运动方程得到转子的轴心轨迹,采用线性简谐激振法和简谐激振法辨识出轴承的动态特性系数。以某气体箔片轴承为例,采用线性简谐激振法、简谐激振法对其动态特性系数进行计算,计算结果与摄动法均存在一定的差距,但对于气体箔片轴承在可接受范围之内。     

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。     

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。     

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。     

箔片气体动压轴承力学建模研究进展

箔片气体动压轴承是具有弹性箔片结构支承的自作用气浮动压滑动轴承,其性能很大程度上取决于箔片结构的力学特性,建立准确的箔片结构力学模型对于箔片气体动压轴承静动态特性、支承转子动力学响应的预测与分析具有重要意义。针对国内外不同类型箔片气体动压轴承的力学建模研究进行了归纳总结,发现箔片结构力学模型经历了从简化到完备的发展,已能够求解多维度的箔片变形分布、内部库仑摩擦力以及变接触状态下的非线性箔片刚度。通过结构有限元法与接触力学数值算法的有机结合能够对更加复杂且包含非线性接触约束的箔片结构进行精细建模,从而计算得到更准确的箔片轴承性能参数。另外,考虑箔片结构制造误差与转子起飞过程也是箔片轴承力学建模的一个发展方向。     

箔片动压气体轴承-转子系统的振动特性试验

基于轴承-转子系统的非线性响应,搭建箔片动压气体轴承-转子系统振动试验平台,结合时域图、频谱图、轴心轨迹图和时间-频率-幅值三维谱图分析轴承-转子系统升、降速过程中运行状态的变化情况,研究轴承-转子系统运行过程中的非线性振动特性以及升、降速率对低频振动的影响。试验结果表明：在箔片动压气体轴承转子系统升、降速过程中,较高的升速率和较低的降速率均可以有效抑制低频能量的聚集,减小或者避免低频振动的产生;较高的升速率可以提高锁频振动发生时的工频,较低的降速率能够在工频较高时结束锁频振动现象。     

弹性箔片动压气体推力轴承承载性能研究

气弹耦合解是准确预测弹性箔片动压气体轴承承载性能的有效方法。通过引入箔片的弹性变形以及联立求解动压气体润滑Reynolds方程和弹性箔片的变形方程,给出了弹性箔片动压气体推力轴承的气弹耦合解。应用气弹耦合解理论,将顶层箔片的局部弹性变形纳入考虑范围,对弹性箔片动压气体推力轴承的承载性能进行了计算和分析。有限元数值仿真结果表明:顶层箔片在气膜压力作用下的局部弹性变形直接导致弹性箔片动压气体推力轴承承载能力的降低;根据轴承瓦块上气膜压力分布的特点合理设计支承拱箔的结构形式,可以减小顶层箔片的局部弹性变形,有效提高轴承的承载能力。得到了一种承载能力较高的弹性箔片动压气体推力轴承支承拱箔结构设计方案。     

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。     

动压气体轴承的动态刚度和动态阻尼系数

采用偏导数法求解动压气体润滑Reynolds方程,给出动压气体轴承动态刚度和动态阻尼系数普遍适应的计算方法.进行有限元数值仿真,计算动压气体轴承的动态刚度和动态阻尼系数,并重点研究轴颈扰动频率和不同轴颈扰动频率下的轴承静态载荷及轴承数对这些系数的影响.从理论上解释动压气体轴承的动态刚度和动态阻尼系数与轴颈扰动频率的密切相关性.     

弹性支承箔片动压气体径向轴承的实验研究

对新型结构弹性支承箔片动压气体径向轴承进行试验研究,在高速透平膨胀机(主轴轴径D=25.0mm、转子总长l=250.5mm、转子质量Gm=891g、额定工作转速10.64×104r/min)上达到了转子转速14.8×104r/min、超速40%的良好试验效果。对这种弹性支承箔片动压气体径向轴承的振动特性和稳定性进行试验研究。结果表明,该轴承具有优良的动态特性与稳定性,能有效抑制高速自激涡动的发展,在正确选择结构参数和表面处理方法后,有望替代目前在高速透平机械中广泛应用的静压气体轴承。     

微小型高速透平径向箔片动压气体轴承的研究

微小型高速透平膨胀机的发展对微小型动压气体轴承的开发提出迫切的要求,研制微小型动压气体轴承十分必要。在一台微小型高速透平膨胀机上对平箔型、弹性片支承型、鼓泡型3种不同的径向箔片气体轴承分别进行了研究。试验结果表明3种箔片轴承均能满足运行要求,通过比较发现,鼓泡型径向箔片气体轴承具有加工简单,运转稳定的特点。配合鼓泡型动压止推轴承,对全鼓泡型箔片轴承全动压透平膨胀机进行研究。初步试验最高转速可达22万r/min。     

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。     

气体箔片轴承静态工作点求解

气体箔片轴承静态工作点的计算属于典型的弹流耦合问题,需要进行可压缩流体雷诺方程和板壳弹性变形方程的耦合迭代求解。为确定任意给定载荷下气体箔片轴承的静态工作点,提出了一种"二分法搜索+不动点迭代"的求解策略,二分法用于搜索偏心率,不动点迭代用于寻找偏位角。弹流耦合求解中雷诺方程采用基于质量流量守恒的差分法离散进行超松弛迭代求解,顶层箔片采用Kirchhoff薄板模型进行有限元求解,以整周式及三瓦插入式气体箔片轴承为算例进行了求解及分析,结果表明:偏心率、偏位角与文献[2]最大误差分别为6.60%和3.76%,且偏心率的误差随着外载荷的增大会显著减小;相对于刚性表面轴承,柔性表面轴承中的偏位角对偏心率的变化更加敏感。     

箔片气体动压轴承研究进展综述

箔片气体动压轴承具有转速高、摩擦功耗低、无油润滑以及良好的减振性能等优势,已在飞机换气系统和曝气鼓风机等领域广泛应用。近年来随着全球“碳达峰碳中和”战略的提出和实施,氢燃料电池汽车等成为产业热点,箔片气体动压轴承在燃料电池空压机领域的应用呈现“井喷”态势,但箔片轴承在适应燃料电池汽车复杂工况所必须具备的长寿命、高抗振性及高可靠性等方面,还远远没有得到充分验证,目前仍处于路况验证和技术迭代阶段。因此有必要在新工况和新性能需求大背景下,对箔片气体动压轴承的现有研究成果进行系统梳理和深入分析。介绍了箔片气体动压轴承的结构及在燃料电池空压机中的应用;评述了箔片气体动压轴承的高速特性、比承载能力、动力学稳定性以及启停寿命等关键性能指标及当前发展水平;分别从箔片气体动压轴承理论建模、气固耦合特性仿真算法、气膜热特性及温升控制、轴承转子系统动力学稳定性、箔片轴承抗振性及疲劳寿命、箔片表面涂层技术及启停寿命、箔片轴承动态性能测试与试验技术等方面,对箔片轴承关键技术进行了系统分析和综述;最后结合燃料电池汽车工况对高速离心式空压机的性能需求,对箔片气体轴承关键技术的发展趋势进行了预测和展望。     

基于流固耦合气体轴承-转子系统的动态特性分析

机床切削过程中所受的切削力可假设为稳态力和动态扰动力的合力,为探究以气体轴承作为支承的电主轴系统的动态特性,以正弦波作为动态扰动加载形式,提出采用简谐激励法与双向流固耦合数值模拟相结合的方法对气体轴承-转子系统的简化模型进行动态特性研究;对动刚度和阻尼系数进行辨识,并通过模态分析获得转子不同稳态力下系统振型及固有频率变化规律。研究结果表明：随稳态力的增加,下径向轴承的Kyy增长速率大于Kxx,而交叉刚度和交叉阻尼均几乎不变;下径向轴承的主刚度大于交叉刚度,主阻尼大于交叉阻尼;当稳态力为50~200 N时,转子下端y向偏移均随动态扰动力频率的增加呈现先增大后减小的趋势;系统的共振频率随稳态力的增大而增大。     

箔片轴承气弹耦合求解方法

气弹耦合求解是计算箔片动压气体轴承承载性能的有效方法。提出一种简单的箔片动压气体轴承气弹耦合求解方法。该方法以简单弹性基础模型为基础,将气膜厚度控制方程代入Reynolds是方程,获得箔片动压气体轴承气弹耦合控制方程,运用有限差分法结合Newton-Raphson迭代法对气弹耦合控制方程进行求解。计算方法获得的轴承内部压力分布与文献结果吻合很好。该方法的优势在于,省略了除最底层的牛顿迭代之外的其他所有迭代过程,使迭代次数大大减少,从而使计算效率获得提高。     

径向箔片空气轴承静态特性研究

以径向箔片空气轴承静态特性为研究对象,建立箔片空气轴承弹性支承结构的力学分析模型,采用有限元分析计算轴承形变特性,得到轴承承载力和结构刚度,然后利用设计的静态特性试验台对轴承进行静态测试,测试结果与仿真计算基本一致,说明仿真计算的正确性.并将计算得到的轴承静态刚度用于某高速转子的动力学计算,得到了转子的临界转速.     

高速动压气体轴承箔片材料表面处理的探讨

针对高速透平机械动压气体轴承——箔片式气体轴承金属箔片材料的表面处理问题进行了一定的探讨。对箔片式气体轴承箔片材料的选择、材料的表面处理方法以及该轴承的启停性能和稳定性进行了实验研究。分析表明：通过对箔片材料及表面处理方法的合理选择，可以显著改善箔片式动压气体轴承的启停性能。