固定瓦-可倾瓦气体轴承支撑的拉杆转子动力学特性

针对固定瓦-可倾瓦气体轴承支撑的拉杆转子动力学特性进行了研究。将拉杆转子轮盘间的接触效应等效为一个具有非线性刚度的抗弯弹簧,从而建立了拉杆转子模型。基于固定瓦-可倾瓦气体轴承的边界条件,运用微分变化法求解了Reynolds方程,得到了在单瓦坐标系下的气膜力,采用坐标变换和组装计算最终得到固定瓦-可倾瓦气体轴承的气膜力。在计算时对比了圆柱形气体轴承和固定瓦-可倾瓦气体轴承的稳定性、拉杆转子和整体转子的稳定性。最后,以转轴刚度为控制参数,运用改进的Newmark法研究了拉杆转子的动力学特性,同时也研究了固定瓦-可倾瓦气体轴承预负荷和支点比对转子系统运动行为的影响。     

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。     

单可倾瓦动静压轴承的模型及性能调控研究

为了实现精密机床主轴轴承的高刚度及其性能的可调可控,提出了一种单可倾瓦动静压轴承,将普通动静压轴承的一个油腔替换为可倾瓦块,利用可倾瓦的动压及与其油腔的静压共同承载。建立了新型动静压轴承的润滑模型,提出轴承平衡点计算方法,计算了不同工况参数下的轴承性能,包括刚度和最小膜厚。在此基础上,分析了预负荷系数和支点系数对轴承性能的调控规律。通过可倾瓦支点的调控作用,当支点系数0.75、预负荷系数0.5时,轴承的刚度可达到2 700 N/μm,满足机床主轴系统对轴承的高刚度要求。     

柔性支承结构对可倾瓦轴承稳定性的影响

为了进一步提高可倾瓦轴承支承转子系统的稳定性，提出由弹簧支承的柔性可倾瓦轴承结构。设计制造单层弹簧和双层弹簧支承的2种柔性可倾瓦轴承试样，在转子-轴承实验台上开展稳定性实验研究。实验结果表明：由弹簧支承的柔性可倾瓦轴承综合支承刚度小于普通可倾瓦轴承的支承刚度，新型柔性可倾瓦轴承具有降低转子临界转速的作用；相比于普通可倾瓦轴承，柔性支承可倾瓦轴承明显降低轴频振幅，能够有效提高转子-轴承系统的运行稳定性，且双层弹簧支承的可倾瓦轴承稳定性提高更为显著。     

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。     

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.     

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。     

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。     

可倾瓦气体动压轴承承载能力的数值分析

应用MATLAB的偏微分方程工具箱,采用有限元法求解气体润滑Reynolds方程,通过完全装配分析法计算了可倾瓦动压气体轴承的承载能力,研究了轴承偏心和瓦块预负荷对可倾瓦轴承的承载能力、最小气膜厚度和最大气膜压力以及瓦块摆角的影响。计算结果表明,随轴承偏心或瓦块预负荷增大,各瓦块的承载能力和摆角发生明显变化,轴承的最小气膜厚度减小,最大气膜压力增大,承载能力增大。从理论上解释了可倾瓦轴承的承载能力与轴承偏心和瓦块预负荷的密切相关性。     

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。     

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。     

可倾瓦轴承预负荷对转子稳定性的影响

本文以提高转子系统稳定性为主要目标,结合实际的工业离心压缩机,研究轴承预负荷对对数衰减率、瓦温、功率损耗以及润滑油量的影响。并在此基础上,根据不同瓦块的受载分布,研究混合型预负荷的可倾瓦轴承,结果表明:混合型预负荷轴承具有低预负荷的稳定性特性,也兼有高预负荷支撑能力强的特性,并且还具有更低的瓦温和功率损耗。     

可倾瓦轴承参数及工作参数对转子系统振动性能的影响

为研究可倾瓦轴承参数及工作参数对转子系统振动特性的影响,提出了一种可倾瓦轴承-转子系统轴心轨迹理论计算方法,在不同基础静载荷、间隙比及润滑油黏度下对转子轴颈处轴心轨迹进行分析。结果表明:提高可倾瓦轴承的基础静载荷,减小轴承间隙比,降低润滑油黏度可以减小转子轴颈振幅,提高转子系统的稳定性。     

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。     

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。     

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。     

考虑扰动频率的可倾瓦轴承动力学建模及数值模拟

可倾瓦轴承瓦块的摆动性增加了系统的自由度,对轴承油膜动力系数计算有很大影响,而目前的研究在计算流体动压润滑可倾瓦轴承油膜动力系数时未考虑轴颈与瓦块扰动频率的影响。针对这一问题,对考虑扰动频率的可倾瓦轴承动力学建模及动力系数计算方法进行研究,提出考虑扰动频率的可倾瓦轴承频率-缩减(Frequecy-Reduced)动力学模型,详细推导考虑扰动频率的可倾瓦轴承频率-缩减油膜动力系数矩阵形式。采用Newton-Raphson迭代法计算给定载荷和转速工况下的轴承的静平衡位置,利用有限元数值方法求解油膜刚度系数与阻尼系数。结果表明,瓦块和轴颈的扰动频率对可倾瓦动压轴承动态刚度和阻尼影响较大,随着扰动频率增大,阻尼系数的直接项增大,阻尼系数的交叉项变化不大;刚度系数的直接项数值减小,交叉项变化不大。     

气体动压轴承非线性动力学行为和稳定性预测

以球面螺旋槽气体动压轴承为研究对象,建立三维微气膜瞬态流场数学模型,采用流体动力学软件,对轴承三维气膜压力场进行仿真分析,得到使轴承承载能力最大的结构参数和运行参数。研究在最大承载力下,不同转速和偏心率对气体轴承瞬态刚度系数和阻尼的影响规律,探索气浮轴承瞬态非线性动力学行为。模拟出转子受转速影响下的轴心轨迹图,研究轴承-转子系统的稳定性。研究结果表明:槽宽比、槽深比、偏心率对轴承承载特性的影响明显;提高转速和偏心率有助于轴承的稳定,但随着转速的升高,轴承转子系统的稳定性接近临界状态,导致轴承转子系统不稳定,而较大的偏心率,易导致轴承产生碰摩现象,也破坏了轴承的稳定性,因此,在轴承设计过程中应合理选择轴承的设计参数,提高轴承的综合性能。     

转子-气体轴承-弹性支承系统研究综述

随着旋转机械向高转速、高参数方向发展,气体轴承支承旋转机械的稳定性问题越来越突出。为提高系统的稳定性,人们在单一的、简单结构的静、动压气体轴承的基础上,开发了具有弹性支承、较大阻尼的复杂结构气体轴承。箔片、橡胶圈、金属丝网阻尼器等弹性支撑单元的出现,使得系统在运行过程中出现复杂的静、动态不对中状态,系统的动力学特性也呈现出非线性现象。因此,气体轴承支承旋转机械的稳定性问题不再局限于气体轴承本身,而是由气膜力、弹性支撑力、转子动态激励等相互耦合作用的结果。从气体轴承支撑结构的角度,对气体轴承进行分类,并总结各类轴承的优缺点;对气体轴承、转子-气体轴承系统、转子-气体轴承-弹性支承系统研究现状进行总结;并介绍转子-气体轴承-弹性支承系统中不对中问题;对国内外研究现状进行分析和发展预测。     

可倾瓦气体动压轴承参数对其承载能力影响的分析与研究

本文介绍了可倾瓦气体动压轴承承载能力的计算方法,分析了轴承参数对其承载能力的影响,对瓦块支承为刚性、弹性及其组合的可倾瓦轴承的特点进行了阐述,并以设计曲线的形式给出了计算结果。