气体静压轴承单跨四圆盘结构稳定性试验分析

在气体静压轴承支承的单跨四圆盘结构转子试验台上,试验研究轴承-转子系统的振动特性。采用轴心轨迹、时域分析、频谱图等振动测试分析方法,呈现了半速涡动、双低频、低频共振等非线性动力学现象;分析了半速涡动、双低频、低频共振随转速的变化关系,定性分析了工频与低频的能量转化关系。结果表明:升速过程中采用较高升速率可避免低频振动的发生,降速过程中过大的降速率会引起半速涡动及双低频振动现象;试验中低频振幅增加导致工频能量减少,转速下降。     

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。     

动压气体轴承-转子系统的分岔和混沌

基于非线性动力学理论,研究了气体动压轴承-转子系统的不平衡响应及分岔行为。建立了与时间相关的非线性气体动压轴承的压力分布模型和气体动压轴承-刚性Jeffcott转子系统的动力学模型。运用有限差分法和逐次超松弛迭代法求解动压气体润滑雷诺方程;运用轨迹图、Poincaré映射图、时间历程图、频谱图和分岔图研究了有限宽气体轴承支承的非线性转子系统的不平衡响应及分岔;数值模拟结果揭示了系统存在复杂多样的非线性现象,这对气体润滑轴承支承的实际轴承—转子系统的设计提供了理论依据。     

气体轴承-转子系统的典型振动特性分析

给出了单跨、气体轴承支承的转子系统中出现的共振、气膜半速涡动(包含临界半速涡动)、双低频特性、气膜振荡、工频碰磨、低频碰磨等典型振动现象,采用轴心轨迹,分岔图,以及频谱图等振动测试分析方法,呈现了以上典型振动现象的动力学特征,为识别气体轴承中的典型振动现象提供试验数据支持;同时,针对以上典型振动特征,采用轴承-转子系统的载荷运动平衡方程,给出了定性的理论分析以及相应的控制方法,为气体轴承-转子系统的振动控制与稳定性研究提供可借鉴的数据和方法。     

轴向槽气体润滑轴承-转子系统非线性行为

基于非线性理论,分析了气体动压轴承-转子非线性动力系统的不平衡响应.建立了与时间相关的非线性气体动压轴承的压力分布模型和气体动压轴承-刚性Jeffcott转子系统的动力学模型.运用微分变换法求解了动压气体润滑的Reynolds方程,得到了非线性气膜压力分布.运用分岔图、轨迹图、Poincaré映射图及频谱图研究了三轴向槽有限宽气体轴承支承的非线性转子系统的不平衡响应.数值结果表明,系统的非线性行为包括周期运动、周期二运动、周期四运动、周期八运动及混沌运动等.     

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。     

气体轴承-转子系统典型振动特性分析

给出了单跨、气体轴承支承的转子系统中出现的共振、气膜半速涡动(包含临界半速涡动)、双低频特性、气膜振荡、工频碰磨、低频碰磨等典型振动现象,采用轴心轨迹,分岔图,以及频谱图等振动测试分析方法,呈现了以上典型振动现象的动力学特征,为识别气体轴承中的典型振动现象提供试验数据支持;同时,针对以上典型振动特征,采用轴承-转子系统的载荷运动平衡方程,给出了定性的理论分析以及相应的控制方法,为气体轴承-转子系统的振动控制与稳定性研究提供可借鉴的数据和方法。     

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。     

航空发动机弹性箔片气体动压轴承技术研究及性能评价综述

弹性箔片气体动压轴承广泛应用于航空发动机中,在减少航空发动机功率损失、提高发动机可靠性方面具有重要作用。综述了国内外箔片气动轴承的研究现状,介绍了航空发动机箔片气动轴承结构的发展和应用特点,重点讨论了箔片止推轴承的理论研究现状,比较了不同箔片气动轴承润滑建模方法、润滑求解方法、收敛控制方法,指出了弹性箔片气体动压轴承在航空发动机旋转机械中的巨大应用潜力,提出了气动轴承技术今后需要重点开展的研究发展方向,主要包括箔片动压气体轴承理论建模及其模型求解、箔片气动轴承的实验研究及试验台架的搭建测试、箔片动压气体轴承设计及加工制造、轴承表面涂层技术的研究以及箔片动压气体轴承技术的应用等。     

轴向槽气体轴承—非线性转子系统的分岔和混沌

轴向槽动压气体轴承具有高精度、低摩擦、低噪声和高稳定性的特点,广泛应用于精密仪器、医疗器械、飞机仪表舱等设备。由于轴向槽动压气体轴承支承的转子系统是典型的非线性动力系统,所以必须采用非线性分析的方法来研究系统的动力学行为。因此,运用非线性动力学理论研究三轴向槽动压气体轴承-转子系统的非线性行为。建立与时间相关的轴向槽可压缩气体润滑的压力分布模型,运用微分变换法求解可压缩气体润滑的Reynolds方程,得到轴向槽动压气体轴承的非线性气膜力。建立具有陀螺效应的转子系统模型,基于改进的Wilson-θ法求解系统动力学方程,得到系统的非线性不平衡响应。运用分岔图、轨迹图、Poincare映射、时间序列和频谱图分析不平衡响应的分岔和混沌。数值分析结果表明:非线性气膜力对转子系统的稳定性影响很大,系统展现出丰富的非线性行为,如周期解、倍周期解、拟周期解、周期四亚谐运动和混沌运动等。所做研究为工程中轴向槽动压气体轴承-转子系统的设计提供了理论指导。     

箔片动压轴承的研制及在机载环控涡轮的应用

针对某型吊舱环控涡轮油润滑轴承存在的油污染、可靠性低等问题,基于吊舱涡轮的实际使用条件研制一种机载涡轮动压箔片轴承,并进行箔片动压轴承机载环控涡轮的性能试验、功能振动试验、高低温贮存试验、启停可靠性等试验验证。试验结果表明:采用动压气体箔片轴承的高速环控涡轮制冷性能、起浮压力、起浮转速均满足使用要求,功能振动试验、-55和70℃高低温启动试验优于指标要求,百次启停和超速运转后涂层无脱落,启停次数可达10 000次以上。     

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。     

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。     

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。     

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。     

弹性支承箔片动压气体径向轴承理论模型的研究

提出了一种新型结构弹性支承箔片动压气体径向轴承,针对此种结构,提出了求解弹性流体动力润滑问题(EHDL)的弹性基础支承箔片轴承流.固耦合物理模型,分析了弹性基础支承材料的特性,建立了弹性基础受力三维六自由度变形和考虑了包括非线性项动态气膜力和轴承不对中(角偏差)效应的非定常可压缩雷诺方程的数学模型;然后从控制方程出发,给出了求解弹性支承箔片动压气体径向轴承静态特性参数(压力分布、承载力、偏位角、摩擦力矩)的分析方法;并以静特性分析为基础,采用Lund的线性化假设,分析了弹性支承箔片动压气体径向轴承的动态性能(4个刚度系数及4个阻尼系数);最后在动特性分析的基础上,采用刚性对称转子模型,分析了轴承的稳定性.     

高速透平箔片动压气体轴承固体润滑涂层研究进展

箔片动压气体轴承广泛应用于高速透平膨胀机、微小型燃气轮机、涡轮增压机等高速透平机械中。固体润滑涂层可为箔片动压气体轴承提供启停阶段的润滑保护,对保证箔片动压气体轴承稳定性与使用寿命至关重要。本文回顾了国内外箔片动压气体轴承固体润滑涂层的研究历史与现状;结合文献资料着重分析了PS系列、Korolon系列和DLC系列的固体润滑涂层特性,并对其应用场合和优缺点进行了探讨。     

高速双透平与四磁盘同轴结构轴系振动特性试验研究

在动静压混合气体润滑轴承支承的双透平与四磁盘同轴结构的涡轮膨胀发电机试验台上,研究气体轴承-转子系统动力学特性。通过轴心轨迹、频率耦合三维图和频谱图,分析系统非线性行为特征,结合转子系统的结构对飞升现象进行分析。结果表明:该轴承-转子系统由于采用气浮轴承,在一定供气压力下,出现半速涡动、气膜振荡的典型振荡现象,并在某一转速时出现飞升现象。出现飞升的原因是由于设备结构中采用了阻尼低的气体轴承以及两端涡轮结构,使其在工频、分频能量转化时转换成了转子转速,导致转子转速的急剧增加。通过调节振动特性和控制涡轮供气流量等措施可抑制飞升。     

微小型气体轴承高速透平机械研究进展

阐述了国内外微小型气体轴承高速透平机械的发展概况.介绍了空间制冷机及微小型燃气透平中,以通常机加工方法制作的微型三可倾瓦动压气体轴承、箔片动压气体轴承、微型静压气体轴承的国内外研制发展现况.     

箔片式动压径向气体轴承的发展

本文简要回顾了气体轴承和箔片式动压径向气体轴承的历史及国内、外目前的研究状况。详细介绍了箔片式动压径向气体轴承的起源、结构形式、应用范围和理论、实验及应用研究的发展,并提出了一种新型结构形式的弹性支承箔片动压径向气体轴承。