弹性箔片空气动压轴承的完全气弹润滑解

弹性箔片空气动压轴承被广泛应用于各种透平机械中,然而由于其结构的复杂性,对于这类轴承的建模、静动态性能计算以及相应转子系统动力学分析等理论研究一直处在严重滞后于实验研究的被动局面.通过引入柔性箔片的静、动变形以及联立求解气体润滑Reynolds方程和弹性箔片的静、动变形方程,给出了弹性箔片空气动压轴承的完全气弹润滑耦合解,完全气弹润滑解不仅适用于箔片轴承的静态性能分析,同样也适用于动态刚度和阻尼的计算,从而为弹性箔片空气动压轴承静、动态性能分析和相应转子系统动力学行为预测提供了系统的理论与分析方法.

引入弹性箔片对动压轴承静动态特性影响数值研究

随着高速透平机械的快速发展,应用其中的动压轴承也在不断与时俱进。但刚性表面动压轴承和弹性箔片动压轴承的轴承特性对比尚不充分,所以本文系统性地比较了两种轴承的静动态特性并总结各自的优劣及其适用环境。基于中心差分法将可压缩Reynolds方程离散化后,分别与两种动压轴承的气膜厚度方程进行耦合迭代,求解获得静态特性结果。在静态特性的基础上,应用小扰动法求解各自的动态特性参数。将这两种动压轴承的静动态特性参数进行对比研究发现,刚性表面动压轴承的承载特性要优于弹性箔片动压轴承,但影响轴承稳定性的偏位角却不如后者;且刚性表面动压轴承的动态特性参数在大偏心、高转速的工况下均要优于弹性箔片动压轴承,但由于没有弹性箔片的保护,在启停过程中磨损较为严重。

弹性箔片动压气体推力轴承承载性能研究

气弹耦合解是准确预测弹性箔片动压气体轴承承载性能的有效方法。通过引入箔片的弹性变形以及联立求解动压气体润滑Reynolds方程和弹性箔片的变形方程,给出了弹性箔片动压气体推力轴承的气弹耦合解。应用气弹耦合解理论,将顶层箔片的局部弹性变形纳入考虑范围,对弹性箔片动压气体推力轴承的承载性能进行了计算和分析。有限元数值仿真结果表明:顶层箔片在气膜压力作用下的局部弹性变形直接导致弹性箔片动压气体推力轴承承载能力的降低;根据轴承瓦块上气膜压力分布的特点合理设计支承拱箔的结构形式,可以减小顶层箔片的局部弹性变形,有效提高轴承的承载能力。得到了一种承载能力较高的弹性箔片动压气体推力轴承支承拱箔结构设计方案。

新型弹性箔片动压气体止推轴承的试验研究

对新开发的一种弹性支承箔片动压气体止推轴承进行了理论分析和数值计算,并在多功能气体轴承试验台上对轴承的稳定性、承载力、振动特性和启停性能等进行了深入的试验研究.在轴承的弹性材料厚度为0.25mm、箔片厚度为0.07mm、节距比为0.7、转速为108398r/min时,试验获得了25.9N的最高轴向承载力.试验结果表明复合弹性支承材料具有良好的阻尼特性,能有效地抑制转子的振动和限制涡动振幅的增加;金属箔片的柔性表面刚度均匀,能有效地降低转子及轴承表面的损伤;新型弹性箔片动压气体止推轴承具有良好的稳定性、运转性能和启停性能,具有很好的发展潜力和实用前景.

掌上透平弹性箔片动压气体轴承的试验研究

为了满足微小型高速透平稳定、可靠运转的要求,设计研制了一种以精密机加工制作为目的的微小型箔片气体轴承,提出了以弹性鼓泡支承的新型波箔结构,其中箔片元件由表面光滑的平箔和半球型鼓泡突起体的弹性底箔组成,鼓泡箔片可采用单层鼓泡或多层鼓泡,多层鼓泡的第一层鼓泡在第二层鼓泡的跨距中央。在一台主轴轴径为6mm的掌上高速透平上首次进行了振动特性及稳定性试验,结果表明:新型鼓泡箔片轴承具有良好的阻尼特性,对转子不稳定涡动的抑制能力较强;鼓泡自身变形具有调节刚度和阻尼的特点;在全动压条件下,试验透平稳定运转达到近36万r/min。

箔片式动压空气轴承试验研究

箔片式动压空气轴承是一种以箔片为弹性支承的自作用式动压气体轴承,因其优越的动力学性能广泛应用于高速透平机械、高精密机床以及航空、航天、国防等高端装备领域。箔片式动压空气轴承采用空气为润滑介质,根据动压润滑原理,轴颈与轴承间需要达到一定的相对速度,所形成的动压气膜才能克服转子径向力,使轴颈与轴承脱离机械接触,即转速要达到箔片式动压空气轴承的起飞转速。为了减少轴颈与轴承的机械接触时间,确定电机加速时间,准确测定其起飞转速具有重要的工程意义。提出了一种评判振动特征综合测定箔片式动压空气轴承起飞转速的方法,并对比分析出试验测定结果与箔片式动压空气轴承理论计算值基本一致,验证了理论计算方法的准确度,对于空气轴承的工程应用具有重要的意义。

箔片式动压径向气体轴承的发展

本文简要回顾了气体轴承和箔片式动压径向气体轴承的历史及国内、外目前的研究状况。详细介绍了箔片式动压径向气体轴承的起源、结构形式、应用范围和理论、实验及应用研究的发展，并提出了一种新型结构形式的弹性支承箔片动压径向气体轴承。

用于箔片空气轴承的新型高温固体润滑镀层

箔片空气轴承作为动压气体轴承一种主要形式 ,在许多领域已有应用 ,但大都是在中低温环境运行。为了解决箔片轴承的高温运行问题 ,必须提供一种高温固体润滑剂。本文就是简单介绍目前研究最为成熟的固体润滑镀层PS30 4 。

评价箔片径向空气轴承载荷性能的一种经验方法

介绍一种简单的“经验法则”来评价箔片空气轴承的载荷性能,它是一种可挠面的动压气体轴承,正在研究其在无油透平机械中的应用。经验法则是基于基本原理和文献中报道的可靠实验数据得出的,通过一个经验值——载荷系数D,将轴承的载荷性能和轴承的尺寸、速度联系起来。在经验法则中,轴承承载力是轴承转速和轴承设计面积的线性函数。轴承载荷系数D和轴承弹性支承结构的设计特点和轴承运行工况(温度、速度)有关。

气浮空气循环机密封轴向气动力研究

针对传统空气循环机双侧高速转子端的轴向力理论经验公式精度偏低,数值计算耗时长的问题,建立包含双侧高速转子的窄缝间隙计算域几何模型,并通过试验校核了模型的准确性。对含双侧高速转子的窄缝间隙内部流场进行数值计算,探讨窄缝间隙对轴向气动力的作用规律,并对传统机械轴向气动力的计算公式进行修正,提出适用于气浮ACM轴向气动力计算公式。结果表明:提出的公式在压气机端的最小误差由原来的59%降低到13%,最大误差由原来的261%降低到75%,在涡轮端最小误差由原来的63%降低到2%,最大误差由原来的98%降低到8%,表明修正后轴向气动力公式减小了轴向力的计算误差,因此提出的公式更加适用于气浮空气循环机的轴向气动力计算。

氢燃料电池空压机动压箔片轴承设计与试验

针对野外战车应急发电机组的氢燃料电池空气压缩机,使用空气动压箔片轴承代替滚动轴承,提出了一种无油空压机轴系的设计方法。先通过预估轴承支承刚度进行轴系的转子动力学分析,根据分析结果设计符合支承刚度和空压机轴向推力要求的气体动压箔片轴承,形成完整的设计方案,并成功应用于轴承-转子系统中。测试了空压机轴系全转速范围内的轴系升降速振动三维频谱图和在40000、60000、80000和100000 r/min下的转子振幅和轴心轨迹,以及耐久性实验的轴系振动结果和轴承温升特性。实验结果表明,设计的轴承性能良好,轴系具有良好的转子动力学稳定性,验证了所提出的轴承设计方案的可行性。

透平膨胀机中气体动压止推轴承双层鼓泡箔片的结构改进

基于有限差分法和Newton-Raphson迭代法求解止推轴承间隙的润滑气膜压力,根据气膜压力分布特征对常规型双层鼓泡箔片的鼓泡分布进行改进,并采用有限元法求解支承结构各层箔片的弹性变形和应力分布情况。结果表明,随着支承结构轴向均匀柔性系数的增大,气膜压力不断减小,平台区压力分布的均匀性不断增强。平箔片相比于鼓泡箔片具有较大的弹性变形和应力集中,使其更易磨损,第一层鼓泡箔片的弹性支承作用较第二层更显著。改进后的新型支承结构各层箔片的变形量和变形区域均远小于常规型,且在平台区变形均匀,可有效抑制箔片磨损,提高透平膨胀机止推轴承的承载力和稳定性。

基于三维有限元波箔片模型的气体箔片轴承承载性能研究

波箔型空气动压轴承在小型高速旋转机械中具有广阔的应用背景,其承载性能受箔片弹性变形影响较大。通过三维有限元法建立箔片变形模型,采用气膜压力分布的二次分布逼近建立箔片弹性变形表达式,实现与气体润滑雷诺方程耦合求解;提出了小柔度步计算方法,以提高箔片轴承大偏心率运行下承载性能求解的稳定性。在验证气体箔片动压轴承求解算法准确性后,分析了波箔片弹性和平箔片厚度对轴承承载力的影响。研究表明:波箔片的波宽是影响气体箔片轴承承载能力的重要参数,而波高在对波箔片刚度影响较小。波箔片刚度和平箔片厚度需合理设计,其有助于提高轴承承载力。

表面粗糙度对气体箔片推力轴承润滑性能的影响

以波箔型气体箔片推力轴承为研究对象,运用弹性力学理论构建了箔片结构的受力变形模型,在考虑黏温效应的条件下,耦合求解了可压缩气体雷诺方程及能量方程。将数值模拟得到的顶箔和推力盘的微观粗糙表面引入计算模型,提出了一种考虑表面粗糙度的气体箔片推力轴承润滑性能数值计算方法。通过对具体算例的研究,绘制了轴承气膜压力、气膜厚度、气膜温度及箔片结构变形量的分布图,并通过粗糙度与气膜厚度和箔片变形之间的定量对比说明了考虑表面粗糙度的必要性。研究结果表明:推力盘表面粗糙度越大,最大气膜压力、最小气膜厚度、黏性摩擦力矩和端泄流量的波动越明显,而顶箔粗糙度的影响相对较小;两粗糙表面的高度组合越大,最大气膜压力和黏性摩擦力矩的平均值越大,最小气膜厚度和端泄流量的平均值越小;提高转速可减小最大气膜压力的平均值,并增大最小气膜厚度、黏性摩擦力矩和端泄流量的平均值。