基于流固耦合的波箔动压气体轴承承载性能优化

基于有限元软件Ansys Workbench,建立波箔动压气体轴承在可压缩流体介质中运动的有限元模型,采用6DOF动网格计算方法对轴承的运动状态进行流固耦合数值模拟,探讨不同转速和波箔片结构参数(波箔的长度比、高度以及厚度)对轴承承载性能的影响规律。结果表明:轴承气膜压力大小的分布与平箔片变形量的大小成对应关系,说明提出的流固耦合方法能很好地反映波箔动压气体轴承的润滑状态;随着转速的增大,轴承动压效应不断增强,承载力增大,且平箔片的结构变形不断增大,致使气膜压力的收敛区发生波动;随着波箔的长度比和波箔片厚度的增加,轴承承载力先快速增大后趋于稳定,而波箔片高度对承载力影响不大,表明适当增加波箔的长度比和波箔片厚度可以提高承载力。

基于格子Boltzmann方法的动压气体轴承黏性热耗散研究

箔片气体轴承微间隙内的流场常处于滑移区,甚至过渡区,会出现一些微观效应,其热特性的研究采用宏观方法已不再合适。为研究不同工况下动压气体轴承间隙热特性变化规律,基于格子Boltzmann方法建立包含黏性热耗散项的径向轴承间隙传热数值模型;采用总能形式的双分布函数热模型,通过有限差分离散将其应用到贴体网格中,同时引入速度滑移和温度阶跃边界条件,通过数值计算得到不同参数下的轴承间隙气膜温度分布,并分析了不同埃克特数(Ec)、偏心率和转速条件以及温度阶跃对黏性热耗散的影响。结果表明,当Ec数、偏心率和转速增大时,气膜最高温度增加,两侧的温度阶跃增加;温度阶跃效应的忽略均会导致黏性热耗散量不同程度的低估。

微型航空发动机动压气体轴承动力特性数值分析

微型发动机目前已经成为国内外研究的热点,其最大的特点就是尺寸很小,转速超高。对于外径为60mm的微型发动机,转速达20万r/min,可以采用微型氮化硅陶瓷滚珠轴承支承。但是对于更小的,比如外径40mm的微型发动机,转速约为40万r/min,这种情况下,只能考虑使用气体轴承来支承。

止推动压气体轴承试验系统设计及性能试验

箔片式动压气体轴承采用气体作为润滑介质,具有摩擦小、结构简单、工作转速高、寿命长、免维护等优点,广泛应用于超高速涡轮机械中。本文设计并搭建了可测试不同类型、不同尺寸的动压气体轴承试验系统,用于测试动压气体轴承的承载力、摩擦力、起飞转速等性能参数。通过止推动压气体轴承性能试验表明,Φ75mm外径止推轴承随着其楔形区域入口高度的减小,轴承摩擦力矩、起飞转速同步减小,同时轴承承载力更高,在30000r/min的转速下,楔形区域入口高度0.1mm的止推轴承承载力达240N。

动压气体轴承的动态刚度和动态阻尼系数

采用偏导数法求解动压气体润滑Reynolds方程,给出动压气体轴承动态刚度和动态阻尼系数普遍适应的计算方法。进行有限元数值仿真,计算动压气体轴承的动态刚度和动态阻尼系数,并重点研究轴颈扰动频率和不同轴颈扰动频率下的轴承静态载荷及轴承数对这些系数的影响。从理论上解释动压气体轴承的动态刚度和动态阻尼系数与轴颈扰动频率的密切相关性。

动压气体轴承性能计算方法研究

通过数学变换,将动压气体润滑Reynolds方程变换成标准的椭圆型偏微分方程形式,以MATLABPDE(partialdifferentialequation)工具箱为求解器,编制迭代计算程序,实现动压气体轴承性能的高精度计算。文中的计算结果与以往发表的数值计算结果非常吻合,这表明所提出计算方法的正确性。文中计算方法的思想可以推广应用于其他类型轴承的性能计算及其他类型偏微分方程问题的求解中。

全动压气体轴承透平膨胀机机械性能的试验研究

在一台额定转速为10 64×104 r/min的高速透平膨胀机(轴径为25 00 mm,转子质量为891 g)上,采用新型弹性支承箔片动压径向轴承和螺旋槽动压止推轴承对全动压气体轴承透平膨胀机的机械性能进行了试验研究,达到了转速为12 16×104 r/min、超速14%稳定运转的良好效果.还对全动压气体轴承副的性能进行了研究,验证了全动压气体轴承高速透平转子失稳的主要因素是动压止推轴承承载力丧失而造成的止推轴承失稳,并对止推间隙的影响因素和变化规律进行了探讨.试验结果表明,在高速透平机械中采用国产全动压气体轴承是完全可行的.

边界滑移对波箔型动压气体轴承静特性的影响

为获得流固边界滑移状态对动压轴承性能的影响,以波箔型动压气体轴承为研究对象,建立极限切应力模型下不同滑移状态的气膜压力及厚度方程,利用差分迭代法耦合求解,分析不同边界滑移状态时轴承静特性随滑移相关参数的变化规律。研究结果表明:与无滑移状态相比,轴面侧滑移对轴承静特性不利,箔片侧滑移对轴承静特性有利,滑移对承载力额最大影响幅度可达20%,对偏位角的最大影响幅度可达10°;两侧均存在滑移时轴承静特性下降,影响幅度小于前两者。当轴承转速、偏心率以及润滑气体动力粘度增大时或者轴承间隙减小时,均会使滑移对承载力的影响增大、对偏位角的影响减小。

高速动压气体轴承箔片材料表面处理的探讨

针对高速透平机械动压气体轴承——箔片式气体轴承金属箔片材料的表面处理问题进行了一定的探讨。对箔片式气体轴承箔片材料的选择、材料的表面处理方法以及该轴承的启停性能和稳定性进行了实验研究。分析表明:通过对箔片材料及表面处理方法的合理选择,可以显著改善箔片式动压气体轴承的启停性能。

波箔箔片动压气体轴承的实验研究

为满足透平机械高速可靠运转的需求，设计了一种波箔型箔片轴承，其基本结构由柔性平箔和支承平箔的弹性波箔组成。在气体轴承一高速低温透平膨胀机实验台上对波箔箔片动压气体轴承进行了实验，实验中采用压缩空气驱动透平转子，以功率75kW的阿特拉斯螺杆压缩机作为供气源，从而获得了0．1～1．15MPa、标准工况下最高流量为600m3／h的压缩空气。将波箔厚度为0．05mm及0．07mm的2种箔片动压气体径向轴承，应用于主轴025mm的标准工况下150m3／h制氧机用高速透平膨胀机，研究了箔片支承高速透平转子的振动特性及稳定性。实验结果表明：波箔弹性元件的刚度是轴承性能的重要影响因素之一，0．05mm波箔刚度小，柔性变形裕度较大，可以抑制转子不稳定涡动，透平膨胀机转子最高转速达93366r／min；0．07mm波箔刚度较大，柔性变形裕度相对较小，当最高转速达到93161r／min时转子出现涡动。2种波箔厚度的轴承最高转速达到9．3万r／min时转子的最大振幅均小于20μm，波箔轴承表现出了良好的刚度和阻尼特性，可有效抑制西25mm的高速透平膨胀机转子的涡动。

陀螺电机动压气体轴承间隙误差分析与改进

H型动压气体轴承陀螺电机(以下简称"动压电机")装配后的组合间隙是轴承筛选的关键指标。实际工程中部分动压电机产品的组合间隙与按照轴承零件尺寸计算的间隙相差较大,测量重复性差,合格率较低。为了进一步提高动压电机的一致性和合格率,首先从轴承间隙的测量方法入手,对轴承间隙测量误差建立模型树进行分析,找出了轴承零件尺寸稳定性、多余物以及间隙测量工装是影响轴承间隙测量误差的主要因素,提出了增加稳定处理,优化间隙测量工装,抑制电机污染源,组合清洗等技术改进措施,并通过合理调整间隙控制指标,显著提高了动压电机一致性和合格率。这些思路方法都为动压电机生产量化控制和可靠性筛选提供了很好的借鉴参考价值。

扰动频率对动压气体轴承动态刚度和阻尼系数的影响

采用偏导数法求解动压气体润滑Reynolds方程,给出了动压气体轴承动态刚度和阻尼系数普遍适用的计算方法.进行了有限元数值仿真,计算了动压气体轴承的动态刚度和阻尼系数,并重点研究了扰动频率对这些系数的影响.计算结果表明,动压气体轴承的动态刚度系数随着扰动频率的增大而增大,动态阻尼系数随着扰动频率的增大而减小.从理论上解释了动压气体轴承的动态刚度和阻尼系数与扰动频率的密切相关性.

半球型动压气体轴承陀螺电机设计及性能测试

针对高精度三浮陀螺用半球型动压气体轴承陀螺电机的启停寿命问题,对半球型动压气体轴承的设计理论以及保证轴承在电机工况下能可靠启停的一些关键技术进行研究.其中轴承间隙和螺旋槽结构参数是影响轴承可靠启停以及其力学性能的关键因素,将螺旋槽结构参数作为变量,通过改变变量参数来分析轴承力学指标的变化趋势,得出螺旋槽各关键参数与轴承刚度的关系曲线;通过有限元法仿真分析并校核了电机在工况下轴承的稳定性,证明了轴承间隙参数设计合理.在此基础上研制了半球型动压气体轴承陀螺电机样机,并进行专项的电机启停寿命试验,启停次数满足陀螺不少于3 000次指标要求,满足高精度三浮陀螺的使用要求.

微小型高速透平径向箔片动压气体轴承的研究

微小型高速透平膨胀机的发展对微小型动压气体轴承的开发提出迫切的要求,研制微小型动压气体轴承十分必要。在一台微小型高速透平膨胀机上对平箔型、弹性片支承型、鼓泡型3种不同的径向箔片气体轴承分别进行了研究。试验结果表明3种箔片轴承均能满足运行要求,通过比较发现,鼓泡型径向箔片气体轴承具有加工简单,运转稳定的特点。配合鼓泡型动压止推轴承,对全鼓泡型箔片轴承全动压透平膨胀机进行研究。初步试验最高转速可达22万r/min。

动压气体轴承-转子系统的分岔和混沌

基于非线性动力学理论,研究了气体动压轴承-转子系统的不平衡响应及分岔行为。建立了与时间相关的非线性气体动压轴承的压力分布模型和气体动压轴承-刚性Jeffcott转子系统的动力学模型。运用有限差分法和逐次超松弛迭代法求解动压气体润滑雷诺方程;运用轨迹图、Poincaré映射图、时间历程图、频谱图和分岔图研究了有限宽气体轴承支承的非线性转子系统的不平衡响应及分岔;数值模拟结果揭示了系统存在复杂多样的非线性现象,这对气体润滑轴承支承的实际轴承—转子系统的设计提供了理论依据。

高速透平箔片动压气体轴承固体润滑涂层研究进展

箔片动压气体轴承广泛应用于高速透平膨胀机、微小型燃气轮机、涡轮增压机等高速透平机械中。固体润滑涂层可为箔片动压气体轴承提供启停阶段的润滑保护,对保证箔片动压气体轴承稳定性与使用寿命至关重要。本文回顾了国内外箔片动压气体轴承固体润滑涂层的研究历史与现状;结合文献资料着重分析了PS系列、Korolon系列和DLC系列的固体润滑涂层特性,并对其应用场合和优缺点进行了探讨。

全动压气体轴承低温透平膨胀机的开发

设计了一台小型全动压气体轴承低温透平膨胀机 ,径向轴承采用新型弹性支承箔片径向气体轴承 ,止推轴承采用螺旋槽止推气体轴承。针对该透平膨胀机的机械性能做了大量试验 ,试验获得最大转速为 2 2 0 0 0 0r/min。试验表明 ,该全动压气体轴承低温透平膨胀机运转稳定 ,对开发我国自己的全动压气体轴承低温透平膨胀机具有重要的意义。

动压气体轴承陀螺电机启停可靠性分析研究

长寿命、低噪声机械陀螺电机都趋于采用动压气体轴承,其寿命取决于动压气体轴承陀螺电机(以下简称动压电机)的启停次数,并且以其启停次数来表征陀螺的寿命。建立动压电机启停可靠性模型树全面分析,指出多余物和材料白斑是最主要的影响因素,提出改进电机、轴承零组件的清洗、除气方法,以及加严材料零件外观的检查和筛选标准,并作为动压电机可靠性筛选手段,可进一步有效地保证动压电机的可靠性水平。

螺旋槽动压气体轴承的多目标优化设计

以锥面螺旋槽动压气体轴承为研究对象,建立气体轴承润滑分析数学模型,求解轴承的承载力和动特性系数。建立气体轴承的承载力、刚度与稳定性的优化数学模型,采用加权极小极大优化方法对优化数学模型进行求解,得到轴承的优化结构参数。结果表明:采用加权极小极大优化方法求解轴承的结构参数,不仅可以有效地解决各目标函数分量之间相互矛盾的问题,而且使其综合性能进一步提高;权系数的选择影响轴承的综合性能,合理地选择权系数,能够提高轴承的综合性能。

动压气体轴承轴向刚度降低的分析及提高的途径

该文阐述了影响动压气体轴承刚度降低的原因 ,并利用IDEAS结构分析软件对影响轴承刚度的轴承盖、转子环进行了动态变形分析、阐明 ,除了保证加工及装配精度外 ,在设计中还要考虑结构的动态变形对刚度的影响。