基于库伦摩擦效应的径向气体箔片轴承-转子系统振动特性

摘要

动压气体箔片轴承较滚动轴承具有的运转速度高、无污染、回转精度高、运行寿命长、高温低温等极限环境适应性强等诸多优点使其在航空航天、低温制冷等关键领域具有广阔的发展前景和重要的应用价值。波箔型径向气体箔片轴承的弹性表面自适应性以及箔片结构内部干摩擦给轴承带来高转速、强稳定性等优点的同时也给轴承箔片结构理论建模带来了难度。本文针对轴承箔片结构内部的摩擦问题展开研究,从箔片轴承理论建模和数值计算方法等基本问题出发,分析了箔片结构内部摩擦效应对轴承静动态特性的影响,并在此基础上搭建了轴承性能测试试验台和轴承-转子系统特性试验台,对箔片轴承进行试验研究,为气体箔片轴承箔片结构摩擦特性提供新的研究方法和手段。
　　基于有限单元法建立了充分考虑箔片结构内部摩擦效应的波纹箔片刚度理论计算模型,研究了摩擦效应对波纹箔片刚度特性的影响,分析结果表明箔片结构的库伦摩擦效应在一定程度上增大了波纹箔片的刚度,波纹箔片库伦摩擦模型具有比文献线性弹簧更复杂的刚度特性。
　　在建立了考虑平箔片剪切刚度和箔片结构摩擦效应的箔片结构有限元模型的基础上,采用有限单元法(FEM)和有限差分法(FDM)耦合求解Reynolds方程和气膜厚度方程,研究了平箔片剪切刚度以及箔片结构库伦摩擦效应对轴承静态特性的影响,并将计算结果与NASA试验数据对比验证了箔片结构模型以及数值仿真方法的正确性。
　　基于小扰动法,结合气体Reynolds方程、气膜压力、气膜厚度和箔片变形之间的数学关系推导出轴承动力学特性系数计算微分方程,通过有限差分法对其进行求解得到不同箔片结构摩擦系数条件下轴承动力学特性系数,获得了波纹箔片摩擦效应对轴承气膜刚度和阻尼系数的影响规律。
　　根据有限元法建立实际的波箔型径向气体箔片轴承-转子系统模型,结合轴承在各个转速下的刚度和阻尼系数,通过求解转子系统频率方程分析了箔片结构摩擦效应对箔片轴承-转子系统前三阶临界转速的影响。利用Newmark数值计算方法分析了轴承-转子系统的动力学稳定性,结果表明轴承支承处振动幅值随着转速的升高而降低,虽然高速转速较低转速时振动出现低频分量,但轴心轨迹重复性好,并且波纹箔片和轴承壳之间摩擦系数越小,轴承-转子系统稳定性越高。
　　设计并建立了波箔型径向气体箔片轴承特性测试试验台,通过改变轴承壳圆柱孔内表面粗糙度,提出了一种研究箔片结构摩擦效应对波箔型径向气体箔片轴承特性影响的试验方法,并对箔片轴承静刚度、起飞转速、极限承载力和轴承动力学特性系数进行了测试,结果表明降低轴承壳圆柱孔内表面粗糙度能够减小轴承静刚度,使得箔片轴承的悬浮转速降低,减少了轴承启停时表面磨损,延长了轴承寿命,同时还能够有效提高轴承极限承载力,为提高箔片轴承承载力提供新的思路。
　　设计并搭建了波箔型径向气体箔片轴承-转子系统试验台,基于振动频率和平箔片温度测量准确判断了转子起飞转速,重点分析了波纹箔片和轴承壳之间摩擦效应对转子系统动力学特性的影响。通过降低轴承壳内表面粗糙度有效消除了转子高频振动,提高了转子系统运行稳定性,为提高箔片轴承-转子系统运行稳定性提供了新的方法。

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第1章 绪 论

1.1课题背景及研究的目的和意义

1.2箔片轴承主要结构类型

1.3气体箔片轴承研究现状

1.4本文主要研究内容

第2章 箔片结构模型建立及分析

2.1引言

2.2波箔型径向气体箔片轴承结构描述

2.3基于厚板理论的平箔片建模

2.4箔片结构库伦摩擦效应的波纹箔片建模

2.5基于摩擦效应的波纹箔片刚度特性分析

2.6本章小结

第3章 基于摩擦效应的箔片轴承静动态特性分析

3.1引言

3.2 Reynolds方程和气膜厚度方程耦合求解方法

3.3气体润滑箔片轴承刚度阻尼公式推导

3.4箔片轴承静特性分析

3.5箔片轴承动特性分析

3.6本章小结

第4章 基于摩擦效应的箔片轴承-转子系统稳定性分析

4.1引言

4.2箔片轴承-转子系统临界转速分析

4.3箔片轴承-转子系统稳定性分析

4.4本章小结

第5章 摩擦效应对径向气体箔片轴承性能影响试验研究

5.1引言

5.2试验用箔片轴承介绍

5.3箔片轴承静刚度测试试验

5.4箔片轴承起飞转速测试试验

5.5箔片轴承极限承载力测试试验

5.6箔片轴承动力学特性系数测试试验

5.7本章小节

第6章 摩擦效应对箔片轴承-转子系统动力学特性影响试验研究

6.1引言

6.2试验台设计

6.3试验结果及分析

6.4本章小结

结论

变量申明

附录A

附录B

附录C

参考文献

攻读博士学位期间发表的论文及其它成果

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致谢

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