一种外间隙结构辅助轴承

介绍了与主动电磁轴承相关的一种外间隙结构辅助轴承,叙述了其选型依据和试验情况,得出了转子系统在主动电磁轴承失效后坠落在外间隙结构辅助轴承支承上的运动模式,并探讨了这种外间隙结构辅助轴承的功能可行性。     

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。     

混合轴承柔性转子系统稳定性研究

用数值解方法分析了多腔混合轴承的动态特性。对于典型的毛细管节流４腔轴承计算了在各种设计参数下的线性化的刚度系数和阻尼系数,从而得到了轴承相应的刚度和稳定性速度阈值,指出了动压效应对这两者的负面影响。讨论了转子柔性对自激涡动的作用,提出了在设计转子混合轴承系统中实用的确定稳定性阈值的方法。     

电磁轴承刚度阻尼自动测试

针对电磁轴承刚度阻尼难以测量的问题,设计一套电磁轴承刚度阻尼测试系统,实现电磁轴承刚度、阻尼的自动测量.该系统激振器由自行研制的LabVIEW测试系统产生,电磁轴承传感器作为拾振器,自行研制的测量分析系统作为测量分析工具.给出电磁轴承的刚度和阻尼测量结果.根据本系统获得的电磁轴承支承转子的刚度、阻尼特性,对控制器的优化设计以及转子模型的优化设计有一定的指导意义.由于电磁轴承具有可控刚度和阻尼特性,因此可利用等效刚度和等效阻尼概念选择控制系统参数,简化设计过程.对实验室的样机台架进行具体分析,证实这种方法可行.分析结果还表明,若控制参数选择合理,将获得令人满意的减振效果.     

电磁轴承刚度与阻尼特性的非线性研究

刚度与阻尼特性是电磁轴承重要的性能指标。对电磁轴承刚度与阻尼特性进行了非线性研究,建立了储能飞轮转子系统径向电磁轴承的非线性模型,推导了非线性情况下电磁轴承刚度与阻尼的计算公式,分析了电磁轴承刚度与阻尼的非线性特性,以及控制因数对刚度与阻尼的影响。研究结果表明,增大比例因数,可以使电磁轴承的刚度减小,达到正刚度时的转子位移范围同时减小。通过研究同时确认,电磁轴承阻尼受控制因数的影响较小。     

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。     

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.     

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。     

带弹性环保护轴承的动力学特性

提出在传统保护轴承外圈加弹性环来提高其在主动磁悬浮轴承(Active magnetic bearing,AMB)系统中的工作性能。为完善转子跌落仿真模型,得到AMB失效前转子准确的运动状态,理论推导得到AMB的支撑动刚度曲线,进而基于有限元分析方法得到转子在其支撑下的模态,并与试验结果进行对比,验证所得刚度曲线的正确性。在刚性转子理论基础上,建立转子在AMB系统中的动力学模型。基于Hertz接触理论,分别建立AMB失效后转子与保护轴承内圈之间的碰撞模型和保护轴承的实时动刚度模型。根据所建立的模型,对不同弹性环支撑刚度阻尼在不同初始转速下跌落后的动力学响应进行仿真计算,并与无弹性环状态下跌落结果进行对比。仿真分析结果表明,选用合适的弹性环有利于降低转子跌落后的振动幅值和碰撞力。分别在不同初始状态下进行跌落试验研究,试验结果与理论分析结果基本相符。     

摇摆工况下错位瓦轴承支撑的转子系统动力学特性

基于轴承刚度和阻尼的分段线性化假设,建立了不同横摇角度的转子轴承模型;利用DLAP软件,耦合求解错位瓦轴承支撑的转子系统的动力学模型;采用特征值和特征向量、不平衡响应分析、稳定性分析和瞬态动力学分析等手段,研究了轴系的稳定性和安全性,并与正常工况下轴系的动力学特性对比,得到了摇摆工况下错位瓦轴承支撑的转子系统的动力学特性。     

柔性转子滚动轴承系统混沌行为研究

研究了滚动轴承支承的柔性转子系统的混沌行为。考虑空间Euler-Bernoulli杆单元、刚性圆盘、圆柱滚子轴承非线性接触力、不平衡力,使用有限单元法建立了柔性转子轴承系统的非线性动力学方程组。根据FPA修正法确定求解周期,采用Runge-Kutta法、Newton-Raphson法求解非线性动力学方程组,用获得的系统最大Lyapunov指数判断系统的混沌行为。以某滚子轴承柔性转子系统为例,研究了该类转子系统在径向间隙、不平衡力、转轴刚度比对柔性转子系统混沌特性的影响规律,发现随着轴承径向间隙的增大,系统的混沌区间逐渐增大、变多。不平衡力的存在使得系统混沌的转速及范围变大。随着刚度比增大,振幅峰值及对应的转速均逐渐增大,系统混沌区间也增多,轴承非线性振动对柔性转子系统非线性行为的影响逐渐增强。     

滚动轴承动力学的研究

为了降低轴承噪声、优化高速轴承动特性,更精确的轴承动力学设计是亟待解决的问题,从理论研究和试验测试两方面综述了国内外轴承动力学研究的主要进展。国外滚动轴承动力学分析认为滚动体/保持架兜孔间隙比保持架/引导边间隙小,则保持架会出现涡动。由于接触区的摩阻力系数、混合润滑膜的刚度与阻尼随载荷、温度和润滑剂流变特性等参数变化以及转移膜特性,仍有待进一步研究。要实现滚动轴承设计中参数优化,必须建立自己的轴承动力学分析软件包,以现有设计数据为基础建立轴承产品的优化设计数据库。     

滚动轴承支承的柔性转子系统的非线性动力学分析

研究滚动轴承支承的柔性转子系统的非线性动力学特性。建立柔性转子系统的有限元模型,研究不同轴承间隙系统的稳定性及分岔行为。在转子系统中考虑Hertz接触力,以及由转子质量偏心引起的不平衡力,用数值积分的方法得出系统间隙量在不同区域内的轴心轨迹、Poincaré映射图以及时域图。研究结果表明:在间隙较小时,系统表现出丰富的非线性现象,随着间隙的增大,系统的失稳区域也随之增大。     

高速空气静压径向轴承稳定性的试验研究

高速空气静压轴承的稳定性问题实质上是涡动振动问题,它是空气轴承在高速场合应用的一大障碍。本文对空气静压轴承在0～24万转/分范围内。刚性支承的情况下,从介绍测试涡动振幅与频率的关系开始,进行了供气压力、轴承间隙、不平衡量大小等因素对高速稳定性影响的试验分析;比较了沟槽、孔式及切向进气等五种结构轴承的高速特性;给出了试验发现的一些规律;涡动起始速度随间隙的变化关系存在有两个最佳间隙,第二最佳间隙的大小远远超过了一般设计概念所考虑的范围;沟槽节流轴承的稳定性优于孔式节流的;单排轴承的稳定性比双排的优越;沟槽节流轴承也存在所谓“阻塞”的问题。最后指出了高速空气静压轴承设计上的一些基本问题。     

涡轮泵流体静压轴承设计及性能特性分析

针对流体静压轴承在液体火箭发动机涡轮泵中的设计和应用,以现有的滚动轴承支承的涡轮泵转子为应用对象,提出流体静压轴承的参数设计思路,采用粒子群优化算法设计得到支承刚度最大化的轴承结构参数组合,并计算分析所设计轴承的性能以及轴承-转子系统的动力学特性。分析表明：优化设计得到流体静压轴承的承载力和支承刚度可以满足要求,但轴承总流量达泵流量的21%,这会显著降低涡轮泵的总体效率;仅将滚动轴承改为流体静压轴承,而不改变其他结构或布局,转子的稳定性不能满足要求;涡轮泵流体静压轴承转子系统设计时应尽量将轴承布置在转子位移较大的位置,以充分发挥其阻尼作用。     

挤压油膜阻尼器-滚动轴承-转子耦合系统的非线性响应分析

为了研究转子系统非线性动力学响应,建立了挤压油膜阻尼器-滚动轴承-转子耦合系统动力学模型。在转子系统模型中,考虑了转子、滚动轴承及挤压油膜阻尼器之间的相互耦合作用,并充分考虑了滚动轴承的间隙、非线性赫兹接触和挤压油膜阻尼器非线性油膜力等。运用数值积分方法分析了转子转速、支承刚度以及挤压油膜阻尼器油膜间隙对系统动力响应的影响,并结合分岔图、频谱图、Poincaré映射图和轴心轨迹图分析了转子系统的非线性动力学响应。结果表明:转子系统当转速较高、支承刚度较大或挤压油膜阻尼器油膜间隙较大时,转子系统容易出现拟周期运动。     

基于结构动态特性的磁力轴承转子系统的设计

分析了径向磁力轴承动力学特性,计算了磁力轴承的刚度系数和阻尼系数。在此基础上,对磁力轴承的转子结构动态特性进行了有限元分析。提出了基于结构动态特性的磁力轴承转子控制系统的设计方法。     

Nonlinear Dynamic Analysis of a Rigid Rotor Supported By a Spiral-Grooved Opposed-Hemisphere Gas Bearing

The nonlinear dynamic behavior of a rigid rotor supported by a spiral-grooved opposed-hemisphere gas bearing is investigated in this article, focusing particular attention on its whirl motion. The finite element method combined with the finite difference method is employed to solve the time-dependent Reynolds equation that is coupled with the rotor motion considering five degrees of freedom. The rotor responses to the initial disturbance and synchronous and nonsynchronous excitations are investigated. To analyze the complicated dynamic behavior of the rotor–bearing system, the trajectories of the rotor centerline, time responses, phase portraits, power spectra, Poincare maps, and bifurcation diagrams are obtained from the numerical procedure. The results show that the conical whirl instability appears earlier than the cylindrical whirl instability with increasing rotational speed for the rotor–bearing system with no unbalance mass. Moreover, it reveals that the complex dynamic behavior of the system excited by unbalance mass varies with rotational speed and rotor mass. In addition, bifurcation diagrams employing the rotating speed and rotor mass as bifurcation parameters are obtained. Finally, the nonsynchronous excitation responses are presented, which behave in a different way than the synchronous excitation responses. The results of this study offer a further understanding of the nonlinear characteristics of spiral-grooved opposed-hemisphere gas bearings.     

发动机转子-滚动轴承系统的振动性能研究

针对发动机转子 滚动轴承系统建立了有限元模型,将弹性轴段、刚性圆盘和弹性支承的动力方程集结后得到系统振动方程,分析计算了支承刚度对系统固有频率的影响。将转子不平衡惯性力和轴承支反力作为激励,求解了系统的稳定响应,得出了合理设计支承刚度和阻尼,可以改善转子系统的振动特性的结论。通过转子系统模拟实验,对该结论进行了验证。     

Forced nonlinear response of gas foil bearing supported rotors

Microturbomachinery implements gas foil bearings (GFBs) in oil-free compact units with reduced maintenance and lower life cycle costs. Challenges for GFBs include intermittent contact and wear at startup and shutdown, and potential for large amplitude rotor whirl at high-speed operation. Subsynchronous motions are common in FBs, though hastily attributed to hydrodynamic bearing instability. In actuality, an FB load capacity depends mainly on its support structure, which shows a strong hardening effect. Presently, an FB force is modeled as a third-order structural element with nonlinear stiffnesses derived from measurements. Predictions of the performance of a rigid rotor supported on bump-type FBs and comparisons to rotor response measurements follow. The predictions evidence a Duffing oscillator dynamic behavior with multiple frequency responses, sub- and super-harmonic, within certain ranges of rotor speed. Predicted rotor amplitudes replicate accurately the measured responses, with a main whirl frequency locked at the system natural frequency. The predictions and measurements validate the simple FB model, i.e. a minute gas film with effective infinite stiffness, with applicability to large amplitude rotordynamic motions. For the first time in the open literature, a simple physical model reproduces the richness and complexity of measured rotor–GFB motions.