Journal Design Considerations for Turbomachine Shafts Supported on Foil Air Bearings

Foil air bearings can offer substantial improvements over traditional rolling element bearings in many applications and are attractive as a replacement to enable the development of advanced oil-free turbomachinery. In the course of rigorous testing of foil journal bearings at NASA Glenn Research Center, shaft failure was repeatedly encountered at high ambient temperature and rotational speed, with moderate radial load. The cause of failure is determined to be excessive non-uniform shaft growth, which increases localized viscous heating in the gas film and eventually leads to a high-speed rub and destruction of the bearing and journal. Centrifugal loading of imbalance correction weights and axial temperature gradients within the journal due to the hydrodynamic nature of the foil bearings, determined by experiment and finite element analysis, are shown to be responsible for the non-uniform growth. Qualitative journal design guidance is given to aid in failure prevention.     

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。     

可倾瓦轴承-转子系统非线性动力行为

运用变分约束原理,在动力积分、迭代过程中修正了流体润滑的Reynolds方程的变分形式,使其等价为变分不等式。运用八节点等参有限元方法,计算了单块瓦的非线性油膜力,并通过组装技术求解得到5瓦可倾瓦滑动轴承的非线性油膜力。运用Poincar映射和Runge-Kutta方法,分析了5瓦可倾瓦滑动轴承支承的对称刚性转子系统的不平衡响应。数据结果显示了可倾瓦轴承-转子系统的周期解、倍周期解和混沌运动等非线性现象。     

气浮轴承支撑下裂纹-碰摩转子系统动力学分析

建立了带有裂纹和碰摩耦合故障的气浮轴承支撑的弹性转子系统的动力学方程。将打靶法思想与四阶龙格库塔法结合,对转子系统由于气膜力、裂纹和局部碰摩故障导致的非线性动力学行为进行了数值模拟,借助分岔图、相图、Poincare映射和频谱图分析了转子系统的运动形态。研究结果表明,随着系统参数的变化,在特定的参数组合下系统存在周期、拟周期和混沌等复杂的非线性动力学现象。     

Non-Linear Transient Stability Analysis of a Rigid Rotor Supported on Hydrodynamic Journal Bearings with Rough Surfaces

Non-linear transient stability analysis has been performed to study the sub-synchronous whirl stability of a rigid rotor supported on two symmetric hydrodynamic bearings with rough surfaces subjected to a unidirectional constant load. A Reynolds type equation for finite hydrodynamic bearings, with different models of rough surfaces, has been solved using the stochastic finite element method. The trajectories of the journal center have been obtained by solving the equations of motion of the journal center by the fourth-order Runge-Kutta method. Results show an increase in the stability with transverse roughness and a decrease in the stability with isotropic roughness. A small improvement in stability is obtained with longitudinal roughness.     

Linear Stability Analysis of Hydrodynamic Journal Bearings with a Flexible Liner and Micropolar Lubrication

A linear stability analysis of hydrodynamic journal bearings is presented, including the effects of elastic distortion of the liner and micropolar lubrication. Hydrodynamic equations of the lubricant and equations of motion of the journal are solved simultaneously with the deformation equations for the bearing surface to predict the fluid film pressure distributions theoretically. The components of stiffness and damping coefficients, critical mass parameter, and whirl ratio, which reflect the dynamic characteristic of the journal bearing, are calculated for varying eccentricity ratio taking into account the flexibility of the liner and the micropolar properties of the lubricant. The results presented show that stability decreases with an increase in the value of the elasticity parameter of the bearing liner and micropolar fluids exhibit better stability in comparison to Newtonian fluids.     

基于推力球轴承的点接触弹流润滑分析

研究了推力球轴承的钢球与滚道间形成的椭圆接触等温弹流润滑问题。据此问题建立的数学模型既有沿接触椭圆短轴方向的卷吸速度分量，又有沿其长轴方向的卷吸速度分量，且速度值处处各异。运用多重网格法求得了几组参数下的完全数值解，并分析了转动速度、中心距、椭圆比等参数对结果的影响。     

A Fully Coupled Finite Element Formulation for Elastically Supported Foil Journal Bearings

Foil gas journal bearings consist of a compliant metal shell structure that supports a rigid journal by means of a gas film. The prediction of steady operating characteristics such as minimum film thickness, load capacity, and drag require the coupled solution of the shell structure and the gas flow. A general fully coupled finite element approach is presented. A single four noded finite element that incorporates the elastically supported shell structure of the foil and the gas film modeled by a compressible Reynolds equation is developed. The resulting system of nonlinear finite elements is solved by the Newton Raphson method.     

弹性支承滑动轴承的非线性油膜失稳研究

本要用非线性分析方法研究了同时考虑支承阻尼和转子外阻尼的弹性支承滑动轴承系统的油膜失稳振动问题。通过计算转子在油膜失稳区的幅频特性，证明了失稳区的宽度和幅度都是有限的。对幅频特性的进一步分析表明：较低的支承刚度和适度的支承阻尼或较大的转子外阻尼可以减小失稳区的宽度和幅度，以致转子可以平稳地超过失稳区而在上稳定区工作。     

基于电磁轴承支承的转子系统动力学分析

以电磁轴承-转子系统的动力学理论研究为主要目的,在经典PID控制理论下,对转子系统进行柔性分析,得出系统的动力学方程;通过实验调试得到一组PID参数,代入上述系统进行分析运算,可求得转子的临界转速、对数衰减率以及振动模态振型等,并对理论分析结果进行实验验证和对比分析。     

高速硬盘螺旋槽动压滑动轴承变温条件下的动力学特性

螺旋槽动压滑动轴承随着工作温度的升高,润滑油的黏度和轴承间隙显著减小.应用非线性膨胀理论精确计算轴承间隙,结果显示,轴承间隙的变化是影响硬盘驱动器主轴轴承动态特性的重要因素.     

振动参数对超声椭圆振动切削的影响

基于超声振动切削原理和金属切削原理,利用有限元软件MSC/MARC建立了二维热力耦合正交切削有限元模型,对超声椭圆振动切削45钢的切削机理进行了研究,得到了切削温度及切削力的瞬时变化规律.     

圆轴承温粘热效应有限元方法分析

构筑了有限宽圆轴承温粘热效应二维有限元模型。依据圆轴承温粘热效应的三维模型计算结果，油膜温度场变化沿轴向可以忽略，在轴瓦和轴颈与油膜界面使用绝热边界条件，用有限元方法联立求解周向和径向二雏能量方程、双雷诺边界条件广义雷诺方程、周向速度方程和温粘方程，给出中心对称面上油膜温度和速度分布，轴承特性系数与工程上应用数据吻合。研究结果表明，不考虑轴瓦的导热使油膜力计算结果偏高，同时，将进油槽处温度作为油膜的始温叉使油膜力的计算结果偏低，这一高一低相互抵消，证实该模型合理，符合工程应用。     

计及轴颈轴向运动的径向滑动轴承润滑分析

以轴-径向滑动轴承系统为研究对象,综合考虑轴颈轴向运动和倾斜,建立了倾斜轴颈的轴承的流体动力润滑模型,采用有限差分法求解Reynolds方程,分析了不同的轴颈倾角、转速、偏心率和轴承间隙下的轴颈轴向运动对倾斜轴颈的轴承润滑性能的影响规律。结果表明：轴颈轴向运动对倾斜轴颈滑动轴承润滑特性影响显著,且影响程度与轴颈倾角和转速有直接的关系,倾角越大,对轴承润滑性能的影响越大,转速越低,对轴承润滑性能的影响越显著;轴承间隙越小,对轴承润滑性能的影响越大。     

柔性滚动轴承的振动分析

从研究柔性滚动轴承的动力学模型入手，用Ｌａｇｒａｎｇｅ方程建立了柔性滚动轴承的运行方程，通过求解该运行方程的特征值问题，得出了柔性滚动轴承的各阶固有频率，并用算例表明了本文所提出的方法的有效性，为进一步研究谐波传动的整体动态性能奠定了基础．     

基于正交试验的静压径向气体轴承数值分析*

以气动涡轮支承结构静压径向气体轴承为研究对象,建立静压径向气体轴承的微分模型,利用工程数值方法计算轴承承载力、刚度和气体质量流量,运用正交试验法研究节流器参数对轴承性能的影响,以及不同优化方向下轴承的综合性能。结果表明：不同的优化方向节流器参数的敏感性不同,以气体质量流量为优化方向明显不符合设计需要,以承载力为优化方向得到的轴承综合性能最好;平均气膜厚度、节流孔直径和数量是影响轴承承载特性的主要因素,节流孔直径越小承载性能越好。     

椭圆柔性铰链疲劳失效分析与寿命预测

针对柔顺机构中柔性铰链受到交变对称循环载荷的作用下,使柔性铰链最薄弱处容易产生应力集中,导致柔性铰链疲劳失效问题,以柔顺机构中椭圆型柔性铰链为研究对象,以材料力学中纯弯曲理论为基础,推导椭圆柔性铰链切口处最大集中应力计算公式;利用ANSYS仿真分析,对比验证了计算公式的准确性与可行性;在此基础上,通过引入线性回归方法,建立椭圆型柔性铰链寿命预测模型,既可以预测椭圆型柔性铰链的疲劳寿命,也可以解决疲劳失效问题。通过实例验证了该模型的正确性与有效性,可为其他类型柔性铰链的疲劳失效与寿命预测提供重要参考。     

水基磁流体滑动轴承热弹流润滑分析

利用考虑热效应的Reynolds方程,对不同载液磁流体滑动轴承进行热弹流润滑数值分析。探讨了载液和磁粉体积分数对磁流体滑动轴承弹流性能的影响。结果表明:酯基H01磁流体滑动轴承的压力峰最小,膜厚和弹流温度最大;烃基E03磁流体滑动轴承的压力峰最大,膜厚和弹流温度最小;水基A01磁流体滑动轴承的压力峰、膜厚和弹流温度均在前两者之间;随着磁粉体积分数增大,水基磁流体的弹流润滑膜膜厚不断增大,压力无明显变化,弹流温度不断升高。     

滚动轴承振动分析中的AR模型研究

将现代谱估计中的AR模型应用于包含广泛频率成分的典型的滚动轴承振动信号分析，采用Marple算法，FPE判阶准则，以样本长度的均方根作为定阶上界计算AR模型参数，求得AR谱。通过AR谱与经典谱的实际对比分析，验证了所建AR模型的正确性和对滚动轴承振动信号分析的适用性，为滚动轴承振动物理本质的研究提供了可靠的分析技术。     

滚动轴承振动与噪声的相关性解析

通过对滚动轴承振动与噪声关系的深入分析,阐明了轴承振动与噪声之间的本质相关性和主要差异性———控制轴承振动可以控制轴承噪声,但目前测量轴承振动的方法却不能完全反映轴承噪声,同时还介绍了轴承噪声寿命的估算方法,指出了轴承振动与噪声的主流技术发展方向。