高速气体轴承的动态刚度和动态阻尼系数的研究

摘要

气体轴承具有摩擦小、工作转速高、精度高和工作范围局限小等优点,因此已经在精密电子、航空航天和医疗器械等方面得到了广泛的使用。但由于气体轴承的工作状态基本处于非稳态下,轴承的轴线会偏离轴心而发生扰动,使轴承的性能发生改变,改变轴承—转子系统的传递系数,当轴转速增大到某一值时,轴承转子系统将会发生失稳和气膜涡动,而现有的气体轴承的稳态分析方法对其实际动态下的工况分析有较大的偏差,且气体轴承的动态特性也影响转子系统的动力学特征。
　　本文针对目前气体轴承的设计都是参考经验性的图表和实验的缺陷,研究气体轴承的动态特性理论。在本文中,气体轴承的动态特性用简化了的气膜力动态刚度系数和动态阻尼系数来表示,以静压气体轴承的静态Reynolds方程为基础,建立轴颈在小扰动下的动态特性模型,来分析气体轴承的动态特性系数。主要有以下四个方面。首先,建立动压气体径向轴承和静压气体径向轴承的动态模型,以气体轴承在静态下的Reynolds方程为基础,结合轴颈在小扰动下的动态气膜厚度,推导其动态Reynolds方程。其次,采用加权余量法和有限元法进行化简和离散气体轴承的动态Reynolds方程,并引入动态特性系数的计算。由于动态刚度系数和动态阻尼系数是定义在复数范围的,在求解时将其实部和虚部分开以分别求解并引入动态刚度系数和动态阻尼系数的计算方法。再次,分析并计算静压气体轴承在动态下的节流孔处流量。由于流量的经验公式适合于静态情况下,在动态下其值与动态气膜压力分布有关,在求解过程中需要对流量经验公式进行 Taylor展开。最后,运用Matlab编程求解动态Reynolds方程,并对轴颈扰动频率、偏心率、轴颈转速、平均气膜间隙等不同的轴承基本参数对高速气体轴承的动态特性系数的影响进行分析。
　　本文的研究成果将会极大地丰富高速气体轴承的设计及分析理论,不仅为高速气体轴承的研究提供了理论基础,而且还可以帮助专业人员在工程运用中更好地分析高速气体轴承发生失稳的临界转速和整个轴承-转子系统的稳定性。

目录

高速气体轴承的动态刚度和动态阻尼 系数的研究

NUMERICAL STUDY OF THE DYNAMIC-STIFFNESS AND DYNAMIC-DAMPING COEFFICIENTS OF HIGH-SPEED GAS BEARINGS

摘 要

Abstract

目 录

第1章 绪 论

1.1 课题研究的来源、意义和目的

1.2 气体轴承的发展概况

1.2.1 国外发展现状

1.2.2 国内发展现状

1.2.3 气体轴承现存的缺点

1.3 研究内容的相关知识

1.3.1 动态分析方法

1.3.2 计算过程中的一些假设

1.4 本文的主要研究内容

第2章 研究方法和动压气体轴承的基本理论

2.1 引言

2.2 研究方法

2.2.1 加权余量法的简介

2.2.2 有限元法离散化时的网格划分

2.3 动压气体轴承的理论模型

2.3.1 动压径向气体轴承的工作状态模型

2.3.2 动压气体轴承动态特性系数的计算模型

2.4 动压气体轴承的计算模型

2.4.1 动压气体轴承在动态下任意位置的气膜厚度

2.4.2 动压气体轴承的动态Reynolds方程

2.5 本章小结

第3章 动压气体轴承的动态特性分析

3.1 动态Reynolds方程的化简和离散化

3.1.1 运用加权余量法化简Reynolds方程

3.1.2 运用有限元法离散动态Reynolds方程

3.2 计算流程

3.3 计算结果分析

3.3.1 轴颈扰动频率对动态特性系数的影响

3.3.2 转速对动态特性的影响

3.3.3 平均气膜厚度对动态特性的影响

3.3.4 偏心率对动态特性的影响

3.4 本章小结

第4章 静压气体轴承的动态模型及计算分析

4.1 静压气体轴承的理论模型

4.1.1 静压气体轴承在稳态下的模型

4.1.2 静压气体轴承的静态Reynolds方程

4.1.3 节流孔处的流量流动

4.1.4 静压气体轴承在任意扰动下的气膜厚度

4.2 静压气体轴承的动态Reynolds方程

4.3 计算流程

4.4 计算结果分析

4.4.1 扰动频率对动态特性的影响

4.4.2 转速对动态特性的影响

4.4.3 平均气膜厚度对动态特性的影响

4.4.4 偏心率对动态特性的影响

4.5 系统稳定性的判定

4.5.1 运动方程

4.5.2 稳定性计算方法

4.5.3计算结果分析

4.6 本章小结

结 论

参考文献

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致 谢