轴线倾斜对推力锥润滑特性的影响及修形参数优化研究

推力锥可抵消斜齿轮啮合所产生的轴向力,简化齿轮箱结构并提高其传动效率,但由于制造和装配等导致的推力锥转子轴线倾斜,严重恶化了推力锥的润滑性能。为探究转子轴线倾斜对推力锥润滑性能的影响以及改善推力锥润滑性能的方法,建立考虑轴线倾斜和锥面局部修形的推力锥点接触热弹流润滑分析模型,研究典型工况条件下轴线倾斜和修形参数对其润滑性能的影响。结果表明:随着转子轴线斜率的增大最小油膜厚度显著降低,锥面两端修圆后最小油膜厚度显著增加,在轴线倾斜较为严重的条件下,锥面修形后的最小油膜厚度增加了150%。通过修形参数的优化分析发现,典型工况条件下推力锥修形宽度占比宜取0.2~0.35,修形深度宜取2~8μm。研究结果对推力锥的设计和优化具有一定的工程借鉴价值。

基于Timoshenko梁理论的航空发动机高压转子动力学分析与试验研究

针对传统的航空发动机高压转子动力学分析方法计算效率低下及无符合实际工况的试验平台的现象,基于Timoshenko梁理论建立了模拟航空发动机高压转子的有限元模型,提出了相应的数值求解方法,并设计了高压转子试验台,探究了不同转速、不同不平衡量下高压转子的动力学振动特性,最后,对理论与试验结果进行了对比分析。结果表明:当工作转速和不平衡量增大时,高压转子结合面处振幅随之增大,转子组件装配性能下降;由于测试试验平台安装误差,将会导致高压转子偏心,偏心距离大约为0.004~0.06mm;建立的Timoshenko梁有限元模型和Newmark-β数值求解方法的具有一定的准确性和适用性,可以为后续航空发动机的研究提供理论与试验基础。

考虑混合润滑的飞机燃油泵径向滑动轴承静特性分析

针对飞机燃油泵径向滑动轴承润滑油黏度极低、润滑油膜形成难、表面易磨损等问题,通过综合考虑紊流、热效应、质量守恒、温黏效应及混合润滑边界等因素,建立轴承的热流体动力学润滑分析模型,采用有限元方法联立求解雷诺方程、能量方程、接触方程得到轴承的静态特性,研究轴承间隙比、宽径比、转速、载荷、进油温度等对轴承静态润滑性能如油膜厚度和油膜压力的影响规律。结果表明:由于航空煤油动力黏度低,造成轴承的浮起转速高(大于5500 r/min),极限承载力低(小于37 N)、油膜厚度过低;降低进油温度、适当减小间隙,增加轴瓦宽度有利于增加油膜厚度,提高轴承可靠性。研究结果对飞机燃油泵径向滑动轴承设计与运行维护具有一定的工程借鉴价值。

涡轮增压器超高速轴承-转子动力学建模及模态参数识别

针对传统涡轮增压器超高速轴承-转子系统动力学建模精度不高、模态参数不易识别等问题,基于Timoshenko梁理论建立了涡轮增压器动力学模型及运动微分方程,利用锤击法试验对增压器不同激励位置、有无预紧力等工况下的模态参数进行了识别,并将理论与试验分析结果进行了对比验证。研究结果表明:激励涡轮增压器不同位置时,系统的激发模态不尽相同;预紧力对转子动力学分析结果具有重要影响,增加预紧力可显著提高转子刚度;建立的动力学模型和模态识别方法具有一定的准确性和适用性,可以为后续涡轮增压器结构优化设计、模态参数识别提供理论与试验基础。

多尺度表面织构流体润滑问题的快速求解方法

为解决传统数值方法在求解多尺度织构流体润滑问题时计算速度慢、效率低、规模受限等问题,提出了有限细胞算法.针对简单的织构模型,通过对比有限元、流体力学和细胞算法的计算结果,验证了算法计算结果的准确性.通过对比不同计算规模下有限元和细胞算法的数值试验结果,发现新算法的计算速度和计算规模都有显著提升.对于大规模多尺度的织构模型,使用细胞算法进行求解,发现新算法的计算时间与网格数目成线性关系,表明细胞算法对于大规模织构问题具有良好的快速求解能力,并且为工程中类似的多尺度问题提供了具体的解决思路.

浮环轴承稳态热流体动力润滑分析

环速比是影响浮环轴承静动特性的关键运行参数,大量试验数据表明浮环轴承环速比与工作转速的呈强烈的非线性关系,而理论对环速比的预测还存在较大偏差,针对该问题,建立了浮环轴承的稳态热流体动力润滑润滑模型,计算了典型工况下轴承的动静特性参数,研究了等温、导热和绝热情况下环速比、温升、功耗和偏心率等关键参数随转速的变化规律,分析了浮环材料对环速比的影响,探讨了传统环速比解析计算公式的适用范围.研究发现:等温模型在大部分转速范围内均严重高估了环速比,而基于导热模型的计算结果与试验结果吻合良好,随着转速的升高,理论和试验结果均显示环速比先急速上升后逐渐下降,在中高转速下内外膜的黏度差异和热变形是环速比快速下降的两个重要因素,同时,使用高热膨胀系数材料的浮环会导致环速比进一步降低.因此,热效应是浮环轴承设计过程中必须要考虑的因素.

非均质复合材料力学性能的确定性多尺度计算方法

针对具有多尺度特性的非均质复合材料进行结构强度分析,提出了一种确定性多尺度计算方法——有限细胞法(FCM)。该方法通过矩阵凝聚和插值近似得到粗网格的刚度矩阵,在计算得到粗网格解后,通过回代技术可获得全域细网格解。为验证FCM的计算精度和计算效率,构造了多个数值算例,并与理论和有限元(FEM)结果进行了对比,结果发现:相对于FEM,FCM可显著扩大计算规模,提高计算速度,且易于并行;相对于其他多尺度计算方法,FCM在构造粗网格刚度矩阵过程中无需引入微观边界条件,计算精度高,易于降尺度计算。因此,FCM是分析复合材料结构强度的一种有效的多尺度算法,同时该方法易于推广至多尺度的非线性结构分析、热分析、地下水渗流分析等领域。

共形接触粗糙表面润滑问题的多尺度计算方法

为求解共形接触粗糙表面的润滑性能,提出非周期多尺度润滑问题的确定性计算方法——有限细胞法(Finite cell method,FCM),详细介绍FCM的基本原理和关键实施步骤,通过数个算例,对比验证FCM在求解周期和非周期多尺度润滑问题时的计算速度,求解精度和并行特性。结果表明:以传统FEM作为参照,FCM计算误差不大于0.2%,计算规模可扩大2至3个数量级,并可显著降低计算时间。因此,FCM是求解共形接触粗糙表面润滑问题的一种切实可行的计算方法,同时FCM与控制方程无关的特性也为求解工程中其他领域的多尺度问题提供了参考。

采用新型电磁动平衡装置的动平衡研究

针对高速转子不平衡产生振动超标的问题,设计了一种基于静磁场的电磁在线动平衡装置;详细讨论了该动平衡装置的基本工作原理和设计方法;通过有限元软件ANSYS建立实体模型,计算并分析了设计参数对该装置所施加电磁力的影响.以转子的动力学有限元模型为基础,通过缩减不平衡响应与不平衡量之间的关系矩阵,采用无试重法识别出转子集中不平衡量的大小,最后通过搭建动平衡试验台实现了转子的动平衡,从而验证了该新型电磁动平衡装置的有效性.研究结果表明,该动平衡装置可以产生用于动平衡的电磁力,并且能够根据无试重法识别出的不平衡量值施加电磁力于高速转子,有效地抑制振动幅值.由于受结构和工作原理的限制,该电磁动平衡装置更适用于高速精密转子的在线动平衡.

表面织构对转子轴承系统稳定性影响的实验研究

为了研究表面织构对高速精密机床支撑滑动轴承系统振动的影响,利用一种在轴颈表面大规模加工表面织构的低成本、高效率的方法,设计并制备了带有表面织构的转子。采用无织构和有织构两种转子,在供水压力分别为0.16MPa、0.30MPa及工作转速分别为2 400r/min、4 200r/min和6 000r/min的工况下,采用在主轴上附加不平衡质量的方法施加同频激振力,分别对无织构转子和有织构转子的振动进行测试分析。实验结果表明:在一定供水压力和转速条件下,表面织构抑制转子轴承系统振动的作用变得非常明显,有织构转子较无织构转子的相对振动量下降幅度超过60%,即使在发生水膜振荡的情况下,表面织构依然可以显著减小转子的振动幅值。因此,合理的表面织构设计,可以有效提高径向滑动轴承支撑的转子系统的稳定性。

利用轴瓦可调轴承控制柔性转子系统的振动响应

提出了一种轴承下瓦可移动轴承,该轴承可以通过改变轴瓦的位置调整转子系统的工作状态。介绍了这种可调椭圆轴承的结构和工作原理,该轴承结构可以实现在连续工作状态下调节轴承椭圆度,而且与传统固定瓦轴承相比更加适合变工况下运行。通过FEM数值方法建立了转子-可调轴承模型,利用该模型研究了可调椭圆轴承对转子加速过程中动力学特性的影响。通过研究发现,转子未达到临界转速前增大椭圆度可以有效减小转子的振动幅值,抑振作用可达到65%;当接近临界转速时,减小椭圆度可以使转子的共振振幅明显降低,抑振作用达到37%左右;越过临界转速后再增大椭圆度有效减小转子振动,抑振作用可达到60%。然后搭建与理论模型完全一致的转子-可调轴承试验台,经过试验验证,证实了在升速过程中,合理调节椭圆度可以明显减小转子的振动,让转子系统更加平稳地升速到工作转速。

表面织构对错位瓦轴承静动特性的影响

为研究表面织构对错位瓦轴承的静动特性的影响,在错位瓦轴承表面制备几何形状为半正弦波、矩形、三角形的表面织构,建立表面织构错位瓦轴承的流体动力学润滑模型,采用有限细胞算法求解雷诺方程和能量方程,得到错位瓦轴承的关键静动特性参数,对比有无表面织构情况下的最小油膜厚度、最大油膜压力、温升、功耗和流量、刚度和阻尼等参数。结果表明:相对于光滑表面,织构增加了流量和最大油膜压力,降低了温升,减小了最小油膜厚度,同时使临界质量有所降低;在定载荷及不同转速工况下矩形织构性能最优,其最小油膜厚度最小,最大油膜压力和临界质量最大,正弦织构性能次之,三角形织构性能最差;在定转速及不同转速工况下,矩形织构轴承承载能力最大,正弦织构次之,三角形织构最小,但三角形织构临界质量最大,轴承稳定性最好。

基于ANSYS的椭圆封头接管结构的安全评定

目的对椭圆封头接管结构进行安全评定,并给出改进结构。方法采用材料力学方法计算结构的附加载荷;采用有限元方法建立结构应力计算模型,应用ANSYS软件进行计算;根据应力分类概念和分析设计原理进行安全评定。结果得到了结构所受的附加载荷和接管区的详尽应力场,给出了强度评定结果。结论原结构设计不能满足强度要求,需改进。

摇摆工况下错位瓦轴承支撑的转子系统动力学特性

基于轴承刚度和阻尼的分段线性化假设,建立了不同横摇角度的转子轴承模型;利用DLAP软件,耦合求解错位瓦轴承支撑的转子系统的动力学模型;采用特征值和特征向量、不平衡响应分析、稳定性分析和瞬态动力学分析等手段,研究了轴系的稳定性和安全性,并与正常工况下轴系的动力学特性对比,得到了摇摆工况下错位瓦轴承支撑的转子系统的动力学特性。

摇摆工况下椭圆轴承转子系统动力学特性研究

倾斜摇摆工况下,不仅轴承承受载荷随时间变化,而且轴承动特性参数也发生变化,这必然会影响轴承支撑的转子系统的安全性与稳定性分析结果。仅通过稳态分析难以保证支撑轴承自身的安全性和可靠性以及转子轴承系统的稳定性。基于轴承刚度和阻尼的分段线性化假设,建立不同横摇角度的转子轴承模型,用某大学润滑理论与轴承研究所开发的转子轴承系统动力学分析软件DLAP(Dynamic Lubrication Analysis Program),耦合求解椭圆轴承转子系统动力学模型,采用特征值和特征向量,稳定性分析、不平衡响应分析以及瞬态动力学分析等手段,详细研究了转子轴承系统的稳定性和安全性,并与正常工况下轴系的动力学特性对比,最终得出摇摆工况下椭圆轴承支撑的转子系统的动力学特性。

高压反应器应力分析和强度评定

目的分析、计算高压反应器的机械应力和温度应力,并进行强度评定。方法采用有限元单元法计算,按分析设计原理评定。结果在反应器接管区和裙座连接区出现高应力和大的温度梯度。结论有限元法是一种有效、实用的工具,可方便地计算出复杂结构的应力;计算结果按线性处理简便、可靠;强度评定结果显示,反应器安全。

参数可调椭圆滑动轴承转子系统动力学研究及抑振机理

椭圆滑动轴承在许多大型和关键设备中被广泛应用。常见的椭圆滑动轴承都是针对某种特定工况设计的,在实际运行过程中,转速和载荷等工况参数的变化会影响轴承支撑的转子系统的动力学特性。仅研究稳定工况下的动力学特性不能满足实际工况要求。为适应时变工况,维持转子轴承系统在不同工作状态下的稳定性,提出一种参数可调椭圆轴承。通过调节轴承油膜间隙,研究椭圆度对轴承油膜刚度和阻尼的影响,然后在不同椭圆度下对转子轴承系统进行动力学分析。最后搭建转子轴承试验台,通过试验验证调节椭圆轴承的油膜间隙可有效地抑制转子的振动。

滑动轴承椭圆度对转子加速过程振动响应的影响

针对传统固定瓦轴承无法根据实际工况调节轴承参数的问题,提出了一种椭圆度可调滑动轴承结构。该轴承结构基于机械传动原理,将主动控制应用于流体轴承,可以在不同转速下,根据转子实际的振动情况调节轴承椭圆度,通过改变油膜厚度来抑制转子的振动,使转子加速过程中的振动幅值始终保持在安全范围内。通过有限元法建立了转子轴承系统模型,用于计算转子加速过程的动力学响应,并通过改变该椭圆度可调滑动轴承的油膜间隙,分析了椭圆度对转子加速过程振动响应的影响。研究发现:经过临界转速区域时,转子属性表现为柔性转子系统,这时通过减小椭圆度、增大油膜间隙能有效抑制转子的振动;远离临界转速区域时,转子属性表现为刚性转子系统,这时通过增大椭圆度来减小油膜间隙也能有效地抑制转子的振动。

容器支座区域局部应力的有限元计算和强度评定

运用有限元法对工业中的大型搅拌反应器悬挂式支座处应力进行了计算,得到了应力分布场,并采用应力分类的分析设计原理,对反应器的局部应力进行了强度评定。分析结果表明,该反应器支座区域的强度足够,可满足安全要求。

基于ANSYS的夹套密封环结构的应力分析

采用有限元的方法,对夹套封口环结构计算模型的建立进行了分析和介绍,应用ANSYS软件对夹套封口环结构的应力进行了计算,得到了详尽的应力场和位移场。在此基础上,对各种封口环结构的应力分布特点进行了对比与分析,为工程设计者合理选型提供参考。