可倾瓦轴承的完整动力分析模型及计算方法

提出求解可倾瓦径向滑动轴承完整动力特性的解析模型和计算方法,给出可倾瓦轴承完整动力特性系数矩阵的简明表达形式.基于瓦块和轴颈间的运动耦合关系,建立瓦块局部坐标系统.与瓦块和轴颈运动相关的全局广义位移矢量可以通过简练的步骤转换为局部动坐标系下轴颈的位移矢量;利用求解固定瓦轴承动力特性的方法求得的局部动坐标系下的油膜力及其Jocabian矩阵,该油膜力矢量可以精确地转换为全局广义坐标系下的表达形式.在轴承的平衡位置处,全局坐标系下的油膜力矢量关于广义位移和广义速度的Jocabian矩阵为轴承完整动力特性系数矩阵的负值.给瓦块一个设定的扰动频率,就可以得到简化的当量动力特性系数矩阵.此解析方法求解简单方便,可用于分析可倾瓦轴承-转子系统.     

瓦块固有频率对可倾瓦轴承频变刚度的影响

为研究轻载工况下可倾瓦块固有频率和振动频率对轴承刚度的影响,基于长轴承理论建立求解可倾瓦推力轴承瓦块固有频率和频变刚度的润滑和动力学耦合模型,推导润滑模型的解析解和频变动力学特性的表达式,并通过实例计算分析载荷、支点系数(瓦进油边到支点的距离与瓦长的比值)、瓦块转动惯量等结构参数对瓦块固有频率和频变刚度的影响。结果表明:瓦块的惯性、油膜的刚度和阻尼共同决定瓦块振动的固有频率,瓦块在固有频率附近振动可以使轴承的频变刚度出现负值,甚至正负无穷大;小载荷的瓦(如非承载瓦)容易出现瓦块振动频率接近其固有频率的状况,使瓦发生共振;可倾瓦轴承设计中有必要考虑瓦块的固有频率和频变刚度来设计非承载瓦的支点系数和转动惯量,使瓦块的振动频率跨过固有频率而产生大的刚度。     

不同瓦面形貌参数的曲面可倾瓦推力轴承动特性仿真研究*

为了揭示瓦块曲面形貌参数对船舶可倾瓦推力轴承动特性的影响规律,建立可倾瓦推力轴承瞬态热流体动压润滑模型,采用轴向扰动法研究轴承刚度和阻尼系数的计算方法并进行了验证。设计6种瓦面形貌,仿真分析不同形貌类型和瓦面弯曲程度对推力轴承动特性的影响规律。结果表明：推力轴承刚度系数随激振频率的增加而上升,阻尼系数随激振频率的增加而下降;在相同激振频率下,仅考虑一个方向的形貌改变,周向瓦面凸起量的增加可以增加油膜厚度,降低轴承的刚度和阻尼系数,但径向凸起量的增加对轴承的刚度阻尼系数几乎无影响;仅考虑径向凹陷时,阻尼系数随凹陷量的增加而增加并可达到最大;当同时考虑周向和径向的形貌变化时,则周向凸起量是轴承主要的影响因素。     

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.     

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。     

支点弹性、阻尼可倾瓦轴承动力特性数值仿真及试验研究

依据考虑瓦块摆动和沿几何预载荷方向微幅振动的可倾瓦轴承完全动力特性的解析模型及其对应的八参数简化动力模型,设计制备了支点弹性、阻尼特性可倾瓦轴承。该轴承通过在瓦块支点与轴承体之间设置弹性垫片,使瓦块支点支撑在弹性垫片上,弹性垫片与轴承体之间存在微小间隙并与轴颈润滑系统共享油路以实现局部挤压油膜效应。根据不同加工工艺,制备了两种形式的新型支点弹性、阻尼轴承,并通过理论计算模拟与试验分析对两种新型轴承的动力特性进行研究。结果表明,支点弹性、阻尼可倾瓦轴承能够增大转子的一临界阻尼,有效提高转子系统稳定性。     

考虑轴颈与轴瓦耦合运动的可倾瓦轴承完整动力学模型的研究

从单块瓦与轴颈组成的子系统在整体坐标系和局部坐标系中的几何关系入手,建立考虑轴颈与瓦块耦合运动的可倾瓦轴承的完整动力学模型。在局部坐标系中,采用二维有限元方法求解油膜力和动力特性系数,通过坐标变换叠加到整体坐标系中从而得到可倾瓦轴承动力特性系数的解析表达式,结合Newton-Raphson迭代法计算给定载荷工况下的轴承的静平衡位置。通过2个计算实例证明提出方法的正确性,同时通过与传统折合动力学模型计算结果的比较,证明可倾瓦非本质稳定的结论。     

船舶可倾瓦推力轴承工况参数对润滑特性的影响

为研究船舶工况参数对可倾瓦推力轴承稳态和瞬态润滑特性的影响,利用Matlab建立船舶可倾瓦推力轴承热弹流体动压润滑计算模型,考虑轴瓦的热弹性变形,联立黏温方程、能量方程、油膜刚度和阻尼系数方程求解模型,研究热弹性变形以及不同载荷和转速情况下船舶可倾瓦推力轴承的润滑特性。结果表明：考虑热弹性变形时,最小油膜厚度增大,最大油膜压力和最高油膜温度降低;在正常运行工况条件下,轴瓦的热弹性变形有利于改善推力轴承的润滑性能,轴承设计时应考虑材料的抗压性和耐热性;在转速不变时随着载荷的增大,最小油膜厚度降低,最大油膜压力、温度、油膜刚度和阻尼均增加,需要特别注意重载工况下轴承的动压润滑状况;在载荷相同的情况下,随着转速的提高,油膜厚度和油膜温度增大,油膜压力变化不明显,油膜刚度和阻尼随转速增大而降低,在转速较低时下降较为明显。研究结果为优化轴承设计、提高轴承运行的可靠性和稳定性提供参考。     

柔性支承可倾瓦滑动轴承油膜动力减振特性分析

将传统可倾瓦的机械刚性支点改进为液压支撑,提出一种主动减振可倾瓦轴承——柔性支承可倾瓦轴承。基于有限差分法提出一种新的轴颈中心平衡位置迭代计算方法,通过MatLab编程计算轴承平衡状态的动态特性参数;建立柔性支承可倾瓦轴承内外部油膜等效质量弹簧阻尼系统动力学模型,并对柔性支承可倾瓦轴承-转子系统的稳态及瞬态响应等减振特性进行仿真分析。研究结果表明:双层油膜轴承综合支承刚度小于单层油膜轴承支承刚度,综合支承阻尼在一定条件下会大于单层油膜系统支承阻尼;相比单层油膜轴承,柔性支承可倾瓦在满足一定条件下具有良好的减振特性。     

考虑扰动频率的可倾瓦轴承扰动压力雷诺方程数值模拟

考虑扰动频率的影响,建立流体动压润滑可倾瓦轴承扰动压力雷诺方程。针对目前可倾瓦轴承有限差分数值算法不易联立求解等问题,提出基于PDE工具箱有限元数值求解方法。理论分析和计算结果均表明,扰动压力是轴承参数、静态工作点参数和扰动频率的函数,扰动压力与扰动频率密切相关;扰动频率为0时,复数域扰动压力虚部为0;随着扰动频率的增大,扰动压力实部变化不大,虚部随之增大。     

可倾瓦推力轴承系统的稳定性和失稳转速分析

以可倾瓦推力轴承系统为研究对象,建立了油膜厚度方程、瞬态压力方程、油膜力的Taylor级数展开式,推导出了油膜对镜板的作用力和油膜作用于可倾瓦块的力矩刚度和阻尼动力学系数。分析了系统的稳定性,根据失稳频率的概念,提出了求解系统失稳频率的一种新颖而又简单的方法,并据此求出了失稳转速。     

运转参数对可倾瓦轴承油膜特性的影响

为了确定汽轮机运行时运转参数对汽轮机可倾瓦轴承油膜特性的影响,以四瓦可倾瓦轴承为例,采用Pro/E建模,选用湍流SST三维模型,考虑到瓦块间隙及瓦块相互之间的影响,采用ANSYS模拟出进口油压、进口油温、偏心距、轴颈转速对四瓦可倾瓦轴承油膜特性的影响。结果表明:进口油压对油膜特性影响较小,进油温度、轴颈偏心距、轴颈转速对汽轮机可倾瓦油膜特性影响较大,故在运行中应严格监控这3个参数。     

基于动网格模型的液体动静压轴承刚度阻尼计算方法

针对雷诺方程不能反映高速油流周向惯性效应、轴颈周向动压效应和静压扩散效应之间的非线性耦合关系及其对三维流场特性的影响,进而导致动静压轴承刚度阻尼的计算精度难以满足高转速精密轴承设计需要之现状,提出基于纳维-斯托克斯方程的动网格计算轴承刚度阻尼新方法。该方法采用自定义程序实现轴颈的旋转速度、位移扰动和速度扰动以及扰动过程中油膜力的计算等功能,成功将轴颈的旋转动边界转换为静边界,有效避免因轴颈旋转引起的网格畸变,并利用弹簧光顺模型更新轴颈受速度扰动和位移扰动引起的油膜网格挤压变形。通过对比研究瞬态和稳态条件下油膜力的变化,界定计算刚度阻尼系数时速度扰动和位移扰动的合理取值范围。利用所提出的方法计算典型轴承的刚度阻尼系数,再现动静压轴承油膜厚度和三维流场压力分布的动态发展过程,并采用影响系数法对该轴承的刚度系数进行试验测试。通过对比试验数据和动网格计算结果发现两者基本吻合,表明所提出的计算方法是有效可行的。     

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。     

固定-可倾瓦轴承支撑的转子的非线性动力学特性

以固定-可倾瓦轴承支撑的单盘柔性转子为研究对象,根据转子动力学理论建立了其动力学模型。基于动态Reynolds方程和边界条件,运用Castelli法求解Reynolds方程,在单瓦坐标系下建立了单块轴瓦的非线性油膜力数据库。经过坐标变换,组装计算最终获得固定-可倾瓦轴承的油膜力。在计算油膜力的时候考虑两种情况,即考虑瓦块转动惯量和忽略瓦块转动惯量。首先将这两种情况下转子的运动轨迹进行比较,然后这种分析了考虑瓦块转动惯量时转子的动力学行为,同时也比较了在不同的预负荷和支点比的情况下转子的运动轨迹和可倾瓦瓦块的摆角。     

考虑轴颈偏斜的多瓦径向滑动轴承热流体动力润滑分析

建立考虑轴颈偏斜的多瓦可倾瓦径向滑动轴承热弹流润滑(TEHD)分析的数学模型,求解轴瓦表面当量弹性变形,计算得到轴颈偏斜时的瓦块油膜厚度、油膜压力分布和瓦面温度分布等,并对比分析无轴线偏斜和有轴线偏斜情况,得到多瓦可倾瓦径向滑动轴承的热弹流润滑性能差异.结果表明,TEHD模型下,轴颈偏斜会导致轴承油膜厚度、油膜压力和瓦面温度等分布在轴向不对称,并且导致轴承油膜厚度明显减小.     

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。     

瞬变载荷作用下五瓦可倾瓦滑动轴承特性分析

为了研究动压五瓦可倾瓦滑动轴承在瞬变载荷作用下的动态行为,在考虑轴颈惯性力和非惯性力的基础上,建立可倾瓦滑动轴承的轴心轨迹方程,利用有限单元法求解油膜压力,采用欧拉法求解有限长滑动轴承瞬时轴心轨迹;研究不同预负荷下偏心率与瓦块姿态角的变化关系,以及在阶跃载荷和正弦脉冲载荷作用下轴心轨迹、瓦块摆角及轴颈所受合力变化规律。结果表明:在瞬变载荷作用时,轴心轨迹、瓦块姿态角及油膜合力都有较大的变化并呈现出一定的振荡过程;由于脉冲载荷的作用时间有限,随着其消失,轴心仍收敛于原平衡位置,而阶跃载荷则使轴心收敛于新的平衡位置;相同条件下的可倾瓦轴承比固定瓦轴承具有更好的稳定性。     

流固耦合作用下可倾轴承瓦块颤振失稳研究

以某试验台可倾轴承为对象,考虑瓦块与轴颈之间的运动耦合关系,建立可倾轴承油膜-瓦块流固耦合动力学模型。采用Newmark-β法求解可倾瓦块动态响应,得到升速过程中瓦块摆角及位移的波形、频谱。研究发现,在一定条件下,可倾轴承上瓦块会失去稳定位置,绕其支点作摆动及径向移动,导致瓦块颤振。随着转速升高,颤振幅度增大,一定转速后出现频率锁定现象,增加预载荷可以抑制瓦块颤振。计算和试验观测到的瓦块颤振特征相似。针对某台660 MW机组发生的不稳定振动故障进行了分析,发现颤振导致瓦背制动弹簧断裂,加剧了瓦块颤振,引发大幅振动,进而导致进油边乌金损坏、柱销及柱销孔磨损。通过增加预载荷及更换弹簧,解决了该机组不稳定振动问题。     

考虑滑移效应的可倾瓦动压气体轴承承载性能分析

以可倾瓦气体轴承为研究对象,考虑滑移效应对可倾瓦动压气体轴承的气膜压力分布和承载力的影响,在1阶滑移和WU新滑移速度边界条件下推导修正雷诺方程的基础上,使用有限差分法求解不同瓦块偏心率、轴承数下的承载力。结果表明：随着偏心率、预载系数、轴承数的增大,轴承承载力增大;滑移边界条件下计算出的可倾瓦动压气体轴承的承载力显著降低;相同条件下,基于WU新滑移边界模型计算所得承载力最小,结果明显低于连续介质模型和1阶滑移模型。