新型主动气体动压箔片轴承-转子系统动力学分析及实验研究

摘要

气体动压箔片轴承由弹性箔片和刚性轴承套组成，是一种以环境空气为润滑介质、具有柔性的动压轴承，因为具有高转速、长寿命、低成本、无油润滑和结构紧凑等优点，能显著提高旋转机械的DN值(转子表面线速度)、能量密度和效率，被广泛应用于空气循环机、高速电机、高速鼓风机/压缩机、微型涡喷发动机、微型燃气轮机和车用燃料电池用空压机等超高速设备。然而，因为气体动压箔片轴承自身的非线性动力学特性导致其支承的转子系统在高DN值工况下易出现较大振幅的次同步振动，削弱了系统的高速稳定性并限制了轴承的应用。传统的“被动式”解决方案是通过改良轴承的结构设计，进而优化气体动压箔片轴承的性能。然而，“被动式”的解决方案设计的轴承结构和轴承性能在轴承装配之后无法主动改变，当设备工况产生变化时无法对轴承性能进行主动控制。为了解决上述问题，本文在充分理解箔片轴承润滑机理的基础上，创新地提出了新型主动气体动压箔片轴承结构。通过引入主动控制结构和控制方法，为优化轴承性能和提高轴承-转子系统的高速稳定性提供一项“主动式”的解决方案。本文的主要研究方法和研究成果如下：　　基于气体动压箔片轴承对径向预载的需求以及压电陶瓷致动器的逆压电效应的伸缩特性，设计了一种包含压电陶瓷致动器、柔性铰链、杠杆放大机构和预紧装置的预载控制子结构。使用有限元法对该结构进行了静力学分析，基于卡氏第二定理建立了该结构的理论模型，在搭建的实验台上验证了该结构理论模型的正确性。基于Link-Spring波箔模型和一维有限元顶箔模型推导了箔片结构力学模型。基于串联关系耦合预载控制子结构理论和箔片结构力学模型推导了弹性支承结构的力学模型，使用静态推拉实验验证了该力学模型的正确性。基于可压缩气体雷诺方程耦合弹性支承结构的力学模型推导了轴承润滑理论模型。采用有限差分法和牛顿-瑞普逊法求解静态轴承润滑模型，预测了不同控制电压下的新型主动气体动压箔片轴承的气压分布、偏心率和姿态角。基于小扰动法假设和静态性能计算结果，采用有限差分法和牛顿-瑞普逊法求解动态轴承润滑模型，预测了控制电压、名义间隙和铰链宽度等轴承参数对轴承的动态刚度系数和动态阻尼系数的影响规律。预测结果表明新型主动气体动压箔片轴承可以通过主动改变控制电压实现轴承静动态性能的主动改变。新型主动气体动压箔片轴承的静动态性能为轴承的设计和主动控制提供了重要的理论参考。　　搭建新型主动气体动压箔片轴承的起飞实验台，测量了不同控制电压对轴承起飞性能的影响。搭建新型主动气体动压箔片轴承-转子实验台，测量了不同控制电压和不同转子不平衡质量对稳速和降速过程中的转子系统动力学响应的影响，验证了该轴承结构的有效性。基于小扰动法假设计算轴承的动态刚度系数和动态阻尼系数，使用有限元法建立转子理论模型，耦合两者推导新型主动气体动压箔片轴承-转子系统的动力学模型。计算了不同转子转速下的系统转子动力学响应，预测了不同控制电压下的转子的临界转速和峰值振幅。　　基于刚性转子理论模型和轴承的非线性支承力模型，建立了考虑刚性转子、润滑气膜和箔片结构的全耦合新型主动气体动压箔片轴承-转子系统的非线性理论模型。预测的轴承-转子系统在降速过程以及不同的转子不平衡位移作用下的转子动力学响应与相关转动实验测量的数据吻合较好，验证了该模型的有效性。分析了新型主动气体动压箔片轴承-转子系统的非线性转子动力学响应。结合转子的轴心轨迹、庞加莱映射、竖直方向振动的快速傅里叶变换、转动周期内最小气膜厚度和功率损耗等描述方法，分析和讨论了控制电压、名义间隙、柔性铰链宽度、转子静载荷等关键参数对轴承-转子系统的转子动力学响应的影响。　　搭建了由两个新型主动气体动压箔片轴承支承转子的系统振动控制实验台，测量了不同的恒定转速下线性增大的电压对转子振幅的影响。用比例、积分和微分(PID)控制算法建立了测量的转子振动与输出的直流电压之间的反馈关系。测量了恒定转速、降速过程与升降速过程的PID闭环控制效果。证明了对新型主动气体动压箔片轴承-转子系统搭建闭环控制回路的可行性。实验结果表明通过PID控制算法能在不同转子转速下实现将转子振幅主动控制在较小的区间内。　　综上所述，本文基于创新设计的预载控制子结构提出了新型主动气体动压箔片轴承，通过主动改变控制电压的方法实现了轴承静动态性能的主动控制，进而实现了新型主动气体动压箔片轴承-转子系统大振幅的次同步振动的主动抑制，结合PID控制算法实现了新型主动气体动压箔片轴承及其转子系统振幅在不同转子转速下的转子振幅的区间控制。通过理论计算和实验测量的方法研究了不同的设计参数、工况参数和控制电压对轴承静动态性能和轴承-转子系统的非线性动力学响应的影响。预测结果和实验数据均表明新型主动气体动压箔片轴承能主动有效地抑制轴承-转子系统的振动。新型主动气体动压箔片轴承可以主动根据工况优化轴承性能并提高轴承-转子系统的高速稳定性，是一项行之有效的“主动式”的解决方案。

目录

声明

第1章 绪论

1.1 课题研究背景和意义

1.2 国内外研究现状

1.2.1 气体动压箔片轴承的研究现状

1.2.2 主动轴承的研究现状

1.3 本文的主要研究内容

第2章新型主动气体动压箔片轴承的润滑理论模型

2.1 引言

2.2 具有预载控制子结构的新型主动气体动压箔片轴承设计

2.3 新型主动气体动压箔片轴承的耦合弹性支承结构力学模型

2.3.1 预载控制子结构力学模型

2.3.2 预载控制子结构力学模型验证

2.3.3 弹性支承结构力学模型

2.3.4 弹性支承结构力学模型的实验验证

2.4 新型主动气体动压箔片轴承的润滑理论模型

2.5 小结

第3章 新型主动气体动压箔片轴承的静动态性能分析

3.1 引言

3.2 新型主动气体动压箔片轴承的静动态性能求解方法

3.2.1 求解边界条件

3.2.2 静态性能求解流程

3.2.3 动态性能求解流程

3.3 新型主动气体动压箔片轴承的静动态性能预测

3.3.1 新型主动气体动压箔片轴承的静态性能

3.3.2 新型主动气体动压箔片轴承的动态性能

3.3.3 供电方式对轴承静动态性能的影响

3.4 轴承名义间隙和铰链宽度对轴承静动态性能的影响

3.5 小结

第4章新型主动气体动压箔片轴承-转子系统振动特性的实验研究及理论分析

4.1 引言

4.2 新型主动气体动压箔片轴承的起飞实验

4.2.1 轴承起飞实验台介绍

4.2.2 起飞实验结果及分析

4.3 新型主动气体动压箔片轴承-转子系统的转动实验

4.3.1 轴承起飞实验台

4.3.2 轴承的静态推拉实验

4.3.3 恒定转速下的转动实验

4.3.4 降速过程中的转动实验

4.3.5 附加不平衡质量的转子降速过程中的转动实验

4.4 新型主动气体动压箔片轴承-转子系统的理论模型

4.4.1 转子的有限元模型

4.4.2 轴承的动态系数的预测

4.5 同步转子动力学响应的理论预测与实验结果对比

4.6 小结

第5章 新型主动气体动压箔片轴承-转子系统的非线性特性分析

5.1 引言

5.2 新型主动气体动压箔片轴承-转子系统的非线性模型

5.2.1 四自由度刚性转子模型

5.2.2 非线性轴承力模型

5.2.3 轴承-转子系统转子动力学响应的求解方法

5.3 非线性理论模型的验证

5.3.1 恒定转速下的非线性转子动力学响应的对比验证

5.3.2 降速过程中的对比验证

5.4 不同转子不平衡对非线性转子动力学响应的影响

5.5 新型主动气体动压箔片轴承-转子系统的非线性转子动力学响应的参数化分析

5.5.1 控制电压对转子系统动力学响应的影响

5.5.2 轴承的名义间隙对转子动力学响应的影响

5.5.3 柔性铰链 B 的宽度对转子动力学响应的影响

5.5.4 转子静载对转子动力学响应的影响

5.6 小结

第6章 新型主动气体动压箔片轴承-转子系统的振动控制研究

6.1 引言

6.2 振动控制实验台

6.3 不同转子转速下的转子系统的开环振动控制

6.3.1 转子转速为 42.0 krpm 时的开环振动控制

6.3.2 转子转速为 45.0 krpm 时的开环振动控制

6.4 不同转子转速下的系统的闭环振动控制

6.4.1 PID 闭环控制介绍

6.4.2 转子恒定转速下的 PID 闭环振动控制

6.4.3 转子自由降速过程的 PID 闭环振动控制

6.4.4 转子升降速过程的 PID 闭环振动控制

6.5 小结

总结与展望

参考文献

致谢

附录 A 攻读学位期间发表的论文和授权的专利

附录 B 慢滚动补偿和相位补偿

附录 C 转子的残余不平衡