自由活塞斯特林发电机气体静压轴承的承载特性

气体静压轴承结合间隙密封技术作为自由活塞斯特林发电机的关键技术之一,可使动力活塞在高频往复运动中实现无接触支承,提高发电机的可靠性和使用寿命。为研究自由活塞斯特林发电机气体静压轴承的承载特性,基于轴向流动假设建立了理论模型,通过模型计算了不同条件下气体轴承提供的承载力,设计并搭建了一种气体轴承承载力测试装置,测试了气体轴承在不同供气压力、节流孔直径及数量下的承载力。理论模型与试验结果均表明:承载力与供气压力、节流孔数、节流孔径呈正相关;承载力随活塞与气缸间隙的减小而增大。在间隙一定的条件下,偏心率越大,承载力越大;仿真分析与试验结果具有较好的一致性,说明这种测试方法是可行的。

基于Kriging模型的锥形气体静压轴承优化设计

针对如何提升小孔节流式锥形气体静压轴承综合性能的问题,以气浮电主轴用锥形气体静压轴承承载力最大、气体消耗量最小为优化目标,考虑轴承尺寸和工况要求的约束条件,采用最优拉丁超立方法选取设计点,通过有限元法计算样本集,利用2种提高精度的加点策略构建针对优化目标的改进Kriging代理模型,最终使用非支配排序遗传算法获得最优解集。根据工况要求,通过权重系数法提出了3种优化方案,优化方案的气体消耗量分别降低至初始设计的28.85%,56.08%和73.87%;承载力则分别提升至初始设计的1.14,2.16和2.44倍;3种优化方案在中高转速下的性能提升会更加明显。另外,提高轴承锥度虽然能提升承载力,但同时也会增加气体消耗量。

考虑温度因素对带有柔性结构的静压气体轴承稳定性影响研究

为了研究静压气体轴承在工作状态下,温度对带有柔性结构的静压气体轴承柔性结构挠度变形量、流场流态及稳定性的影响规律,本文建立了带有柔性结构的静压气体止推轴承三维(3D)模型。首先,采用流-固-热多物理场耦合的计算方法,分析了工作状态下温度变化对静压气体轴承柔性结构挠度变形量、气膜流场流态及气膜稳定性的影响。然后,通过设计静压气体轴承试验台,对轴承受到载荷冲击时的振动情况进行测试,将测试结果与仿真分析结果对比,验证了仿真计算的可靠性。计算结果表明,环形柔性薄板在节流孔处的挠度变形量随温度升高而增大,当气膜间隙h=12μm的情况下,工作温度T=100℃相较于工作温度T=-20℃的挠度变形量提升了43%;其他条件相同下,随着温度的升高,气膜内气旋的范围逐渐减小;工作温度越高,受到载荷后轴承振动幅度越小。实验测试结果表明,随着工作温度的升高,轴承稳定性越高,与仿真分析结果基本一致。该研究为此类轴承在超精密领域的应用提供了理论参考。

基于不同加工工艺的微孔节流空气静压轴承的特性研究

随着超精密加工技术和地面微低重力仿真的发展,相关产业对空气静压轴承的性能要求越来越高。由于传统的孔式节流器其结构特点不能完全满足实际使用的需要,节流孔直径与气膜间隙同一数量级的微孔节流空气静压轴承因其良好的刚度和承载特性,越来越受到关注。但在微孔节流器的发展过程中,微孔的加工工艺却限制了其推广应用。针对目前常用的三类微孔加工工艺,进行了理论仿真研究,通过建立不同加工工艺轴承仿真模型,运用双向流固耦合仿真方法,对比分析了基于不同加工工艺的微孔节流空气静压轴承的动静态特性。研究结果表明:锥孔类轴承承载性能优于其他两类,但耗气量大且在小间隙时刚度较差;薄壁直孔类轴承承载性能稍逊,但在大间隙下轴承刚度较佳;嵌套类轴承承载性能较差,但在小间隙下轴承刚度较大且耗气量较低。

带均压槽的多孔集成节流静压气体轴承静态性能分析

为了提升静压气体轴承的静态性能并探究其变化规律,文章研究了一种带均压槽的多孔集成节流静压气体轴承。通过推导气体润滑控制方程建立数学模型,并通过编程软件对离散化的控制方程进行求解计算,分析不同节流孔数量、供气压力、均压槽槽宽和均压槽槽深对静压气体轴承静态性能的影响规律。结果表明:与无均压槽多孔集成节流静压气体轴承相比,带均压槽的静压气体轴承承载力和刚度有了明显的提高;同时节流孔数量对带均压槽的多孔集成节流静压气体轴承的承载力影响显著,但孔数增加到一定程度后承载力增速减缓;均压槽槽宽对其承载力影响较小;均压槽槽深和供气压力对静压气体轴承的静态性能有明显影响。

环形多孔气体静压止推轴承静态性能研究

为提升气体静压止推轴承的静态性能,设计一种新型环形多孔气体静压止推轴承。依据气体润滑原理、采用有限体积法对环形多孔气体静压止推轴承的三维物理模型进行数值模拟,研究节流器上节流孔数量、直径、分布方式和供气压力对气体静压止推轴承静态性能的影响。结果表明:节流孔数量对环形气体静压止推轴承的承载力影响显著,但孔数增加到一定程度后承载力增速放缓;节流孔直径对承载刚度影响较大,随着节流孔直径逐渐减小最佳刚度逐渐增大;节流孔排布方式和供气压力对气体静压止推轴承的静态性能均有明显影响。

考虑边界滑移状态的液体动静压球轴承稳定性分析

液体动静压球轴承稳定性分析包括探究其动态特性及临界转速,其刚度和阻尼系数对轴承转子系统稳定性具有重要影响,而研究临界转速可有效避免轴承转子系统发生涡动失稳。考虑边界滑移条件,将小孔节流器进入油腔流量与封油边流出流量相等作为边界条件,求解出边界滑移状态下的Reynolds方程得到油腔压力和封油边压力;对边界滑移状态下瞬态Reynolds方程采用小扰动法推导出扰动压力偏微分方程,结合有限差分法和松弛迭代法求解方程得到边界滑移状态下液体动静压球轴承的刚度和阻尼系数,进而通过线性稳定性方法求解临界失稳转速,探讨滑移系数、供油压力、转子转速之于轴承动态特性的影响及临界转速之于滑移系数的变化规律。结果表明,滑移系数增大会导致4个刚度系数和交叉阻尼系数减小、直接阻尼增大;供油压力增大将导致8个动态特性系数均增大,转速增大将导致刚度增大及阻尼减小,且滑移效应的发生不影响上述规律;临界转速随滑移系数的增大而减小,系统稳定性降低。

离心空压机波箔气体轴承设计及实验研究

针对功率26 kW、主轴径22 mm的氢燃料电池离心空压机,设计波箔动压气体轴承;在搭建的实验台上进行轴承静动态特性实验和耐久性实验,得到轴承滞回曲线和静态刚度曲线,以及空压机轴系升降速振动三维频谱图、30 000~95 000 r/min下的时域图。实验结果表明:研发的波箔动压气体轴承静态刚度与轴承位移具有非线性特性;空压机启停100 000余次后,平箔表面仅有轻微磨损,波箔高度几乎无变化,表明轴承具有良好的耐久性;转子振动以基频为主,全转速范围内主振幅为1μm左右,无明显低频和高频振动;两级气浮轴承离心空压机实验最高工作转速可达95 000 r/min,并且表现出良好的热力性能。

液体动静压球轴承轴心运动轨迹研究

为研究外载荷对轴承转子系统稳定性的影响,以小孔节流的液体动静压球轴承转子系统为研究对象,建立液体动静压球轴承转子系统动力学模型。通过求解轴承润滑数学模型获得非线性油膜力,分析转子所受到的外载荷,采用欧拉算法预测出轴心下一个时刻位移、速度和加速度,并分析转子系统质量、不平衡载荷和阶跃载荷对转子回转精度的影响。结果表明:随着转子系统质量的增加,所需平衡的油膜力增加,轴心振动幅度增加,从而导致转子回转精度降低;相对于不考虑不平衡载荷,考虑不平衡载荷后其振动形态为椭圆且振动幅值增大,减小不平衡值将减小振幅并提高旋转精度;随着阶跃载荷的增加,达到平衡所需的时间也增加。

小孔节流液体静压轴承参数优化及对比分析

【目的】以小孔节流液体静压轴承作为研究对象,优化其结构参数,并对优化前后的承载力和刚度进行对比分析。【方法】通过正交试验以承载力最大为优化准则,对其结构参数进行优化,并通过Fluent仿真计算对优化前后小孔节流液体静压轴承的承载力和刚度进行分析。【结果】优化得到的最佳组合为平均油膜厚度h0=20μm、节流孔直径d0=0.35 mm、节流孔到轴端面距离l0=5.1 mm、单排节流孔数目n=10。【结论】优化后的小孔节流液体静压轴承在承载力和刚度方面得到了一定提升。

基于正交试验小孔节流液体静压轴承优化分析

以内圆磨床小孔节流液体静压轴承为研究对象,将SOLIDWORKS建立的油膜三维模型导入ICEM中进行网格划分和边界条件命名,利用流体仿真软件FLUENT仿真分析,运用正交试验法设计试验方案分析轴承主要参数对轴承性能的影响及各参数对轴承性能影响的主次顺序。结果表明:影响液体静压轴承承载力和刚度的因素主要包括平均间隙、节流孔直径、节流孔到轴端面距离、单排节流孔数目、偏心率、供油压力、润滑油动力粘度等;轴承的主要参数对液体静压轴承承载力和刚度的敏感性差异很大;同时以承载力最大为优化准则得到优化后轴承模型参数,其承载力提升了113.99%,同时刚度也提升了98.85%。

非均匀分布变节流孔直径静压气浮主轴承载能力与稳定性研究

目的:研究节流孔分布和直径系数对主轴承载能力和稳定性的影响。方法:提出了非均匀分布变节流孔直径新型静压气浮主轴结构,采用有限差分结合线性小扰动法求解非稳态Reynolds方程计算主轴性能。结果:节流孔分布、节流孔直径系数、偏心率、供气压力和平均气膜厚度对主轴承载能力和稳定性有显著影响;偏心率为0.15、供气压力为0.6 MPa时,新型气浮主轴承载能力提高25%,节流孔直径系数为0.90~0.95时主轴承载能力最大。结论:偏心率越大,节流孔分布对主轴承载能力的影响越显著;相对于传统主轴,节流孔直径系数对新型主轴承载能力影响较小;气浮主轴承载能力随供气压力和偏心率增加而增大,随平均气膜厚度增大而减小;偏心率越小,节流孔非均匀分布提高主轴稳定性越显著,变节流孔直径有利于提高主轴临界涡动比,降低临界惯性力,增强主轴稳定性;增大平均气膜厚度有利于提高主轴稳定性;增加供气压力导致主轴临界惯性力增大,稳定性降低。

小孔节流气体静压润滑的离散化和计算收敛

通过在雷诺方程式中增加一流量项 ,以避免求解雷诺方程时 ,为满足流量条件而求解压力梯度所带来的噪声和误差 ,并将不同坐标系内的雷诺方程式变换成为相同形式 ,以简化数值计算 ;对加权余量法和变分求极值法这 2种将微分方程离散化的方法进行了分析 ;

带有圆周方向均压槽的静压气体止推轴承的气锤自激

通过开设均压槽,可以增加静压气体轴承的承载能力和刚度,但是如果气体轴承的均压槽等参数设计不合理,会出现一种振动现象——气锤自激振动,尤其是设计高压重载气体止推轴承时。针对常用的圆盘止推气体轴承,建立轴承活动件的动力学方程,再运用小扰动方法和流量连续性方程得到了气锤自激振动的稳定性判别方程。通过求解稳定性判别方程,发现供气压力越大,自激振动的倾向性越强;气膜间隙在一定范围内容易引起自激振动;节流孔直径越大,自激振动的倾向性越强;当止推轴承的外径和内径的比值比较小时,容易发生气锤自激。通过计算得到了不发生气锤自激振动的轴承设计参数,可用于高压重载气体止推轴承的设计。

新型环面节流静压气体球轴承压力分布的有限元计算

环面节流多孔闭式球轴承具有整体球窝,是静压气体球轴承的一种新结构形式.通过引入流场驻点附近的无穷小邻域,使得处理该轴承在球面坐标系中球窝中心点保角变换不存在这一数学难题成为可能,并给出了用伽辽金加权余量法进行有限元离散时边界条件的数学描述.计算结果表明,尽管边界条件不同,"比例分割算法"对闭式气体球轴承气膜压力场的求解仍然有效,只是迭代时间稍长.环面节流多孔闭式球轴承在气膜中心区域存在流动滞止区,滞止区压力基本相等且高于远离供气孔的其它气膜区域的压力.

基于FLUENT的静压轴承椭圆腔和扇形腔静止状态流场仿真

对重型立式数控车床工作台静压导轨进行研究,应用三维造型软件Pro/ENG INEER及CFD软件FLUENT,从结构三维造型设计以及内部三维流动分析计算两方面对静压轴承进行了综合分析,并对比了不同形状油腔的流速分布及压力分布,揭示了导轨内部流动规律。结果表明:由于油腔形状不同,导致与上工作台的有效接触面积大小不同,扇形油腔各个方向速度在迭代计算后更容易收敛且更容易趋于稳定,而椭圆形油腔各个方向速度波动性较大;利用CFD技术对液体静压轴承进行三维数值模拟,得到的流场结果与实际吻合,计算结果能够有效反映轴承内的流动状态。

单节流孔静压球面气体轴承动态特性的有限元分析

采用分布参数和小参数摄动方法简化动态雷诺润滑方程,推导了用于计算小孔节流方式的单节流孔静压球面气体轴承气膜动态特性的一系列计算公式,并通过动态压力分布方程的有限元求解得到了气膜的动态刚度、动态阻尼曲线以及轴承的稳定工作范围图谱,进而给出了静压气体轴承的稳定性判据.结果表明,小孔节流方式静压气体轴承的稳定性主要取决于节流气腔的容积、供气压力和承载质量.

变截面节流器对空气静压轴承承载性能的影响

为了分析可变截面节流器对空气静压轴承性能的影响,提出了变截面节流器的空气静压轴承模型,通过轴承承载表面弹性薄板的挠度变形实现节流器截面形状的动态变化。建立固体薄板变形和气体润滑的耦合偏微分方程,采用有限差分法和超松弛迭代法对耦合方程进行离散和数值求解。计算结果表明:节流器的截面形状直接决定了数值计算过程中喷嘴系数的大小,与刚性节流器的空气静压轴承相比,变截面节流器的空气静压轴承刚度提高了15%,在较高承载力的情况下能够获得更大的刚度。实验测试结果和理论分析基本一致,变截面节流器的设计方法能够有效提高空气静压轴承的静特性。

真空平衡型气体静压止推轴承的数学模型研究

讨论了真空平衡型气体静压止推轴承的工作机理 ,建立了该轴承的承载能力和刚度的数学模型 ,并通过计算机仿真及实验的方法对其进行分析验证。提出了气膜厚度作为真空度变量的参数 ,使其与导管参数、轴承参数联系起来 ,为定量分析真空度对轴承特性的影响提供了设计依据。

新型环面节流静压气体球轴承动特性分析

通过引入无穷小半径的概念 ,解决了具有整体球窝面的环面节流静压气体球轴承球窝中心点保角变换不存在的数学困难。借助小参数摄动和伽辽金有限元法 ,给出了求解球面坐标系下二维非定常雷诺气体润滑方程的一种近似解法 ,从而建立起分析该结构球轴承铅垂方向上动态特性的一类理论方法。分析结果证明了新型环面节流气体球轴承具有充分、完全的稳定性能。在结构参数不变的情况下 ,轴承的动态特性随供气压力、气膜间隙高度以及摄动频率的变化而变化。