多孔质静压气体轴承承载性能的理论与实验研究

摘要

随着实际工程中对高性能高精度和无摩擦轴承要求的不断提高，气体润滑轴承在航空航天领域、超精密机械、精密量仪等精密机械中有了越来越广泛的应用。多孔质材料由于自身结构的孔隙特性为轴承提供了成千上万微小的节流孔，气体在通过密布小孔的多孔质材料的节流效果比一般其他节流效果要更好，使轴承具有更好的承载能力及刚度。并且由于轴承气膜间隙的一侧是渗透性材料，在转子转动时，多孔质材料内部的气体也会流动，使轴承具有更好的阻尼特性。
　　对多孔质材料内部通过 Darcy定律建立多孔质材料内部气体的运动模型，基于气体运动方程式、连续性方程及气体状态方程在气膜区域建立气体流动的Reynolds方程，并用速度滑移理论进行修正，对多孔质区域与气膜区域内的压力分布方程进行耦合。在气膜求解域内建立合理的边界条件，使用Galerkin法并根据弱解条件得出气膜内压力分布的泛函，通过有限元方法对其进行离散化，使用插值函数进行计算，得到压力分布方程的可编程形式。通过MATLAB编程，采用超松弛迭代法求解出气膜内各节点的压力分布，并进一步得出轴承的承载力、静态刚度及气体流量等静态特性，分析速度滑移系数、多孔质材料渗透率和供气压力等参数对静特性的影响。
　　基于求解出的稳态Reynolds方程，采用小扰动法将轴承转子系统转化为刚度阻尼系统，引入偏心角及偏心率方向上的微小扰动，并对气膜厚度及压力项进行泰勒展开，忽略高阶小量，得到多孔质区域及气膜区域内的扰动方程，通过对两区域内扰动方程的联立求解，得到气膜内动态Reynolds方程。通过有限差分法对动态Reynolds方程进行离散化求解，使用MATLAB编程经过超松弛迭代得出气膜内各节点的动态压力分布，进而求解出轴承动态特性系数，并分析多孔质材料渗透率、气膜厚度及扰动频率等参数对轴承动态特性的影响。
　　在理论分析的基础上搭建多孔质静压气体止推轴承静特性实验平台，通过实验测量并计算出多孔质材料的渗透率，进行多孔质静压气体止推轴承承载性能实验，分析轴承参数对静特性的影响，验证了理论分析的正确性。

目录

第1章 绪 论

1.1课题研究的目的及意义

1.2国外研究现状

1.3国内研究现状

1.4课题来源及主要研究内容

第2章 多孔质静压气体轴承理论建模与数值分析

2.1径向气体轴承数学模型的建立

2.2径向气体轴承模型的数值分析

2.3止推气体轴承数学模型的建立

2.4止推气体轴承模型的数值分析

2.5本章小结

第3章 多孔质静压气体轴承静态特性分析

3.1径向轴承静态特性分析

3.2止推轴承静态特性分析

3.3本章小结

第4章 多孔质静压气体轴承动特性理论研究与分析

4.1小扰动法解径向轴承动态雷诺方程

4.2有限差分法解动态压力分布方程

4.3动态系数的求解

4.4动态特性分析

4.5本章小结

第5章 多孔质静压气体轴承静特性实验分析

5.1石墨多孔质材料渗透率的测定

5.2多孔质静压气体止推轴承静特性实验研究

5.3实验结果分析

5.4本章小结

结论

参考文献

声明

致谢