陀螺仪气浮轴承-转子系统动力学特性研究

摘要

惯性导航陀螺仪正在向着更高精度、更高速度、更小体积、更高可靠性和更长寿命的方向发展，对陀螺仪马达关键支承部件的动压气体轴承性能提出了越来越高的要求，也对该类轴承的分析、设计和制造提出了新的挑战。超小的气膜润滑间隙、高转速下轴承-转子系统动态稳定性和各种严苛工况下转子的动力学响应等，都需要发展更精确的气体润滑分析计算方法才能满足设计要求，同时还需分析制造和装配误差对轴承性能的影响规律。本文针对我国目前大力发展的对置半球螺旋槽气浮陀螺仪的轴承-转子系统开展系统研究，研究组合轴承润滑的耦合效应、稀薄效应、气体惯性效应以及制造装配误差等因素对轴承承载力、系统稳定性和非线性动力学行为的影响规律，为陀螺仪气体动压轴承的设计和制造提供有效的指导，同时进一步发展和完善气体润滑理论。
　　针对经典对置半球螺旋槽轴承设计理论中仅考虑两个半球轴承的润滑性能，忽略了三个轴承之间耦合影响的问题，建立了对置半球螺旋槽轴承的耦合润滑方程。利用一阶速度滑移模型修正了稀薄效应下螺旋槽轴承的雷诺方程，从运动方程出发，推导了考虑惯性力的雷诺方程，采用伽辽金方法和有限单元法分别建立了考虑稀薄效应和惯性效应的稳态雷诺方程的求解模型，系统地讨论了组合轴承的耦合效应、稀薄效应、惯性效应和螺旋槽轴承的参数对轴承静态性能的影响。
　　针对经典线性摄动理论只考虑轴承-转子系统柱面涡动稳定性的问题，建立了考虑5个自由度的转子的动态系数和稳定性求解模型。采用线性摄动法分别推导了考虑稀薄效应和惯性效应的动态雷诺方程，利用有限单元法给出了同时考虑转子做柱面涡动、锥面涡动和轴向涡动时轴承动态系数的计算方法，推导了同时考虑三种涡动的临界稳定条件，借助数值仿真结果讨论了螺旋槽轴承的参数对轴承动态性能的影响，并首次全面阐释了组合轴承耦合效应、稀薄效应和惯性效应在轴承动态系数中的作用，以及它们对轴承-转子系统柱面涡动和锥面涡动稳定性的影响，讨论了三种涡动状态下轴承固有频率和阻尼与涡动频率的关系。
　　虽然线性摄动法具有计算分析直观快速的优点，但陀螺仪中润滑气体的可压缩性和稀薄效应等特点决定了气体轴承本质上是一个非线性系统，尤其是在大偏心和高转速时。为了得到对置半球螺旋槽轴承-转子系统更加完整和准确的运动特性，建立了轴承-转子系统非线性动力学特性的计算模型。采用伽辽金法和有限单元法离散化雷诺方程，采用差分法计算流场压力和流场气膜厚度随时间变化的瞬态项，并且与考虑五个自由度的转子动力学方程耦合求解；通过数值分析的方法得到了在自激振动、同步振动、非同步振动情况下转子的运动轨迹、相图、时间响应和功率谱图；以转子转速和质量为参数得到了同步涡动情况下，转子庞加莱截面和分岔图。结果表明：自激振动导致的对置半球螺旋槽轴承锥面涡动转速低于柱面涡动失稳转速；同时转子速度和质量越大，轴承-转子系统非线性特性越强。
　　由于在加工、制造中不可避免的会出现误差，建立了对置半球螺旋槽轴承的球度误差和装配误差的数学模型，采用数值方法分析了这些因素对轴承承载能力、稳定性和摩擦力矩带来的影响。
　　在理论分析和仿真计算的基础上，设计了半球和球形螺旋槽动压轴承的试验方案，完成了半球和球形螺旋槽轴承实验台的结构设计、试验件的加工和测试系统的搭建，测试了半球螺旋槽轴承在不同转速和起浮高度下的承载力，对球形螺旋槽轴承在自重条件下起浮高度和转速的关系进行了测量。通过与计算结果对比，验证了建模与研究方法的正确性，并对误差进行了分析。

目录

主要符号说明

第1章 绪 论

1.1 课题背景及研究的目的和意义

1.2 气浮轴承在惯性器件中的应用

1.3气浮轴承研究现状

1.4 本文主要研究内容

第2章 对置半球螺旋槽气浮轴承静态特性研究

2.1 引言

2.2对置半球螺旋槽气浮轴承的润滑方程

2.3对置半球螺旋槽气浮轴承数值分析方法

2.4计算结果与分析

2.5本章小结

第3章 对置半球螺旋气浮槽轴承动态特性研究

3.1引言

3.2对置半球螺旋槽轴承动态系数的求解

3.3对置半球螺旋槽轴承-转子系统的稳定性分析

3.4计算结果与讨论

3.5本章小结

第4章 对置半球螺旋槽轴承-转子系统非线性动力学建模与分析

4.1 引言

4.2考虑五自由度的对置半球螺旋槽轴承-转子系统动力学模型

4.3 对置半球螺旋槽轴承-转子系统非线性动力学特性分析

4.4 本章小结

第5章 制造安装误差对气体轴承性能的影响

5.1 引言

5.2球度误差对轴承性能的影响

5.3安装误差对轴承性能的影响

5.4制造误差对轴承摩擦力矩的影响

5.5本章小结

第6章 动压气体球轴承性能的实验研究

6.1 引言

6.2 半球形动压气体轴承承载性能测试

6.3 球形动压气体轴承承载性能的测试

6.4 本章小结

结论

参考文献

附录一

附录二

攻读博士学位期间发表的论文及其它成果

声明

致谢

个人简历