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。     

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。     

基于热气弹耦合的悬臂式箔片气体动压轴承动态特性分析

在考虑气膜与弹性箔片的耦合作用,以及可压缩动压流体热效应和热传导影响的基础上,建立了悬臂式箔片气体动压轴承热气弹耦合性能计算模型,并据此分析了箔片数目、长径比和偏心率对轴承动态特性的影响.研究结果表明:随着箔片数目的增加和长径比的增大,轴承刚度系数和阻尼系数逐渐增加;在大偏心率下,箔片会产生较大变形并调整气膜厚度,故轴...     

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。     

基于箔片非线性刚度模型的止推箔片轴承特性研究

搭建了波纹箔片刚度测试试验台,基于单片波纹箔片结构的刚度测试试验,利用Matlab拟合试验数据的方式推导出波纹箔片非线性的刚度模型。根据扇形波纹箔片的结构特点,对波纹箔片划分网格,根据各节点的面积占比,对各节点赋予刚度值。通过有限元法和有限差分法,耦合气体雷诺方程、气膜厚度方程以及波纹箔片非线性刚度模型的方程进行求解,研究波纹箔片非线性刚度特点对气体止推箔片轴承静态特性的影响。对恒定刚度模型和非线性刚度模型进行仿真分析,并与试验结果进行对比,验证波纹箔片非线性刚度的合理性。对两种模型所计算的止推轴承偏心率进行比较,发现了止推箔片轴承在轻载时,非线性刚度模型的波纹箔片刚度更小,偏心率更大。另外,利用箔片刚度试验和理论相结合的方法预测止推轴承静态特性,其方法具有一定的工程指导意义。     

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。     

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。     

结构刚度和阻尼对箔片轴承承载力的影响

从承载力系数出发，分析了箔片轴承在周向、轴向和径向3个空间方向的结构刚度的变化对箔片轴承承载力的影响。箔片轴承的阻尼主要表现为库仑摩擦阻尼；阻尼的增大使轴承结构刚度增大，稳定性提高，承载力增大。本文还以承载力系数为依据，比较了提高箔片轴承承载力的方法。     

超临界二氧化碳涡轮机主轴静压轴承承载特性分析

以超临界CO2涡轮机主轴支承静压轴承为研究对象,基于Fluent软件建立静压轴承气膜的三维分析模型,分析了轴承结构、偏心率、气膜间隙对气膜压力、承载力和刚度的影响.结果表明:双排进气结构静压轴承的气膜压力、承载力和刚度均高于单排进气结构;偏心率对承载力有显著的影响,承载力和偏心率呈非线性正相关;在偏心率一定的条件下,平...     

混合型挤压膜气体轴承承载特性分析

针对挤压膜气体轴承悬浮力小的问题,将表面凸台引入挤压膜气体轴承,考虑表面凸台及轴承结构模态振型建立了时变及非稳态的挤压膜气体轴承运转特性分析模型,为解决凸台轴承气膜厚度分布不连续带来的求解困难问题,采用八点离散法对模型离散求解,进而开展该类轴承的承载特性分析。首先分析了光滑轴承和表面凸台轴承的气膜厚度和气压分布,然后分析了凸台参数、安装方式及运转方式对轴承承载特性的影响,结果表明：凸台的引入改变了气膜厚度的分布,提高了气膜压力峰值;悬浮力随台高、台宽、台数及驱动电压增大而增大;LOP型安装方式悬浮力大于LBP型;混合模式下的悬浮力大于纯挤压模式。     

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。     

基于箔片非线性刚度模型的气体箔片轴承静特性研究*

基于箔片轴承结构刚度试验结果推导单个波纹箔片非线性刚度模型,通过有限差分法耦合求解气体Reynolds方程、气膜厚度方程和单个波纹箔片非线性刚度方程得到了轴承静态特性,研究波纹箔片非线性刚度对轴承静态特性的影响。通过对波纹箔片非线性模型和文献中的波纹箔片等刚度模型仿真结果进行对比分析,结果表明：单个波纹箔片刚度具有很强的非线性,轴承气膜压力分布不均使得轴承承载区波纹箔片的刚度要远远大于非承载区的刚度,并且轴承轻载时非线性刚度模型刚度值较小导致仿真得到的轴颈偏心率和非承载区的气膜厚度都明显大于文献恒定刚度模型的结果。此外,通过分析得出了一种先进行刚度试验得到单个箔片非线性刚度模型后利用数值方法进行求解的箔片轴承静特性分析方法。     

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。     

表面粗糙度对气体箔片推力轴承润滑性能的影响

以波箔型气体箔片推力轴承为研究对象,运用弹性力学理论构建了箔片结构的受力变形模型,在考虑黏温效应的条件下,耦合求解了可压缩气体雷诺方程及能量方程。将数值模拟得到的顶箔和推力盘的微观粗糙表面引入计算模型,提出了一种考虑表面粗糙度的气体箔片推力轴承润滑性能数值计算方法。通过对具体算例的研究,绘制了轴承气膜压力、气膜厚度、气膜温度及箔片结构变形量的分布图,并通过粗糙度与气膜厚度和箔片变形之间的定量对比说明了考虑表面粗糙度的必要性。研究结果表明：推力盘表面粗糙度越大,最大气膜压力、最小气膜厚度、黏性摩擦力矩和端泄流量的波动越明显,而顶箔粗糙度的影响相对较小;两粗糙表面的高度组合越大,最大气膜压力和黏性摩擦力矩的平均值越大,最小气膜厚度和端泄流量的平均值越小;提高转速可减小最大气膜压力的平均值,并增大最小气膜厚度、黏性摩擦力矩和端泄流量的平均值。     

平箔式箔片止推气体轴承静特性的理论研究

根据平箔式箔片止推轴承的结构。导出了求解箔片止推气体轴承特性的方程。利用有限元法进行了数值求解。比较了箔片止推轴承与刚性轴承的不同之处，并讨论了影响箔片止推轴承特性的因素。     

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。