动静压混合气体箔片止推轴承静态特性研究

动静压混合气体箔片止推轴承具有优良性能,但目前针对其研究报道较少。对此,提出了该轴承的模型,并针对其静态特性和流弹特性开展了数值研究。基于MATLAB软件建立了动静压混合气体箔片止推轴承静态特性的双向流固耦合数值预测方法。计算分析了不同转速、供气压力、供气孔布置位置下的箔片变形,静态载荷和摩擦力矩,获得了运行参数和供气孔位置对动静压混合气体箔片止推轴承静态特性的影响规律。结果表明:增大供气压力对摩擦力矩的影响较小,但会增大轴承轴向载荷,升高转速会导致轴承摩擦力矩明显增大;供气孔布置位置对动静压混合气体箔片止推轴承的静态特性影响较大,应合理选择供气孔的布置位置,在满足轴承载荷要求的基础上优先考虑将供气孔布置在倾斜区域。相关研究结论对动静压混合气体箔片止推轴承设计和应用具有指导意义。

不对中气体箔片微织构止推轴承静态特性分析

为了研究不同形状微织构的分布方式、数量、密度、摆放角度与深度等对不对中气体箔片止推轴承承载性能的影响,结合逐点超松弛迭代法(SOR)与有限差分法(FDM)求解气体箔片止推轴承Reynolds方程,通过MatLab仿真计算得到不同微织构参数下轴承的承载力与摩擦力矩等。计算结果表明:微织构分布于止推轴承基座区与楔形区交界处时,相较于其他分布方式,轴承承载力均明显提高;不同形状微织构的最大截面沿止推轴承径向方向摆放时,轴承性能改善最佳。研究表明:存在最优的微织构数量、密度与深度,可使止推轴承在较小的摩擦力矩下有更高的承载性能;相较于无微织构轴承,椭圆形微织构在最优微织构参数下可使轴承其承载力提升41.22%,摩擦力矩降低0.81%。

超临界二氧化碳(S-CO2)气体箔片止推轴承动力特性研究

本文针对超临界二氧化碳(S-CO2)气体箔片止推轴承的动态特性开展了数值研究。基于有限元分析软件ANSYS和计算流体动力学软件CFX,建立了气体箔片止推轴承动力特性的全三维非定常双向流固耦合数值预测方法,并采用不同气膜厚度下的轴承静态载荷和扭矩的实验数据验证了数值方法的有效性。计算分析了轴承受到轴向周期性扰动时,6种工质温度、5种工质压力、7种气膜厚度和6种扰动频率下的动态刚度和阻尼系数,获得了运行参数对S-CO2气体箔片止推轴承动态性能的影响规律。

基于Newton-Raphson迭代的动压气体止推箔片轴承特性研究

以波箔型气体止推箔片轴承为研究对象,给出一种快速收敛的静特性数值求解方法,结合Newton-Raphson迭代法和有限差分法,耦合求解Reynolds方程和润滑膜厚度方程,研究气体止推箔片轴承的静态性能,分析结构参数对气体止推箔片轴承轴向承载力、黏性摩擦力矩的影响规律。建立转子止推盘倾斜的润滑膜厚度方程,求解获得轴承压力分布规律,分析转子止推盘倾斜对气体止推箔片轴承静态性能的影响。结果表明:采用基于NewtonRaphson迭代的数值求解方法收敛速度较快;气体止推箔片轴承的轴向承载力和黏性摩擦力矩均随箔片变形刚度的增大而增大;止推盘倾斜时气体止推箔片轴承的静态性能增大,且倾斜角度越大静态特性结果也越大。

基于滑移流模型的微型箔片轴承倾斜性能研究

针对传统连续模型未考虑气流滑移效应的影响,而无法准确描述微小间隙下气膜压力分布的问题,在一阶滑移和Wu滑移速度边界条件基础上建立微型气体止推箔片轴承在倾斜状态下的修正雷诺方程,并使用有限体积法求解获得在不同倾斜角度、不同箔片变形柔度系数、不同转速和不同最小气膜间隙条件下的微型止推箔片轴承的气膜压力分布和轴向承载力,同时分析各种模型在不同结构参数下的差异。计算结果表明:微小间隙倾斜条件下气流滑移对轴承承载力影响较大。一阶滑移修正及Wu新滑移修正模型获得的承载力明显低于连续模型。模型间的结果偏差随倾斜角度、轴承转速和轴承最小间隙的减小而逐渐增大。因此连续模型已不适用于此条件下的分析,为得到更精确的精密磨削机床设备的参量特性,应使用更贴合实际的滑移修正模型进行计算。

气体止推箔片轴承试验台设计及试验

设计并制造了带有箔片密封式活塞加载装置的气体止推箔片轴承试验台,对带有冷却通道和径向辐射分布波纹箔片的止推箔片轴承进行了试验研究,分别在15 000,20 000,25 000r/min转速下采用摩擦力矩法对带有冷却通道的止推箔片轴承进行了承载力测试试验.结果表明:带有箔片密封结构的活塞式加载装置能够很好地实现止推轴承加载功能,验证了试验台设计的成功,该止推箔片轴承在不同转速下分别得到了145,195,260N的推力,并且轴承承载力和气膜间隙成非线性关系.

平箔片楔形高度对气体止推箔片轴承特性影响

针对波箔型气体止推箔片轴承,建立了箔片结构二维薄板模型,并通过有限差分法和有限元法耦合求解可压缩气体Reynolds方程和气膜厚度方程,获得了给定轴承载荷条件下轴承气膜压力分布、气膜厚度分布、平箔片变形量和功率损耗等轴承特性.通过对比楔形高度分别为25,70,100,200,300μm时的轴承特性仿真结果研究了楔形高度对轴承性能的影响.结果表明:降低楔形高度使轴承气膜压力分布更均匀,并降低了平箔片的局部集中载荷.但楔形高度存在一个最佳值,使得达到相同轴承载荷所需的最小气膜厚度最大,并且轴承具有最小功率损耗,提高了轴承的工作效率.该结果为气体止推箔片轴承的结构设计提供的理论参考.

考虑稀薄气体效应的止推箔片轴承静特性分析

以波箔型气体止推箔片轴承为研究对象,基于1阶滑移速度边界条件,建立了考虑稀薄气体系数的修正雷诺方程.结合Newton-Raphson迭代法和有限差分法,耦合求解Reynolds方程和润滑膜厚度方程,仿真获得了止推箔片轴承的轴向承载力、起飞转速等静态性能,并研究了稀薄气体效应和轴承结构参数对止推箔片轴承静态特性的影响.结果表明:稀薄气体效应将使止推箔片轴承的轴向承载力减小,起飞转速增大,且稀薄气体效应的影响随轴承工作转速、箔片变形柔度系数的提高有所减弱;止推箔片轴承的安装间隙小于10μm时,起飞转速随安装间隙的减小急剧增大,因而在止推箔片轴承装配时须严格控制轴向间隙.

楔形入口高度对气体止推箔片轴承性能仿真和试验研究

简要介绍了气体止推箔片轴承的结构,建立了止推轴承数值求解的理论模型,利用有限元法和有限差分法耦合的方式求解气体雷诺方程和气膜厚度方程。通过仿真分析获得了止推轴承承载力随着楔形入口高度的变化关系,发现存在一个最佳的楔形入口高度使轴承的承载力达到最大;在最佳楔形入口高度之前,轴承承载力随着楔形入口高度的增大而急剧增大;在最佳楔形入口高度之后,轴承承载力随着楔形入口高度的增加而缓慢减小。搭建了止推轴承性能测试试验台,对试验台各部分及试验原理进行简单介绍。同时,加工制作了3个具有不同楔形入口高度(20μm,70μm、114μm)的止推轴承,并在15 000 r/min、21 000 r/min、25 000 r/min、28 000 r/min转速下进行了极限承载力试验,与仿真分析进行对比。结果表明:楔形入口高度为20μm的止推轴承所表现出来的轴承性能最好,楔形入口高度为70μm和114μm的止推轴承性能相差不大。在设计、制造止推轴承时,选取适当的轴承楔形入口高度是十分重要的。

平箔片凹陷对止推箔片轴承性能影响试验研究

针对平箔片凹陷效应对气体止推箔片轴承静态特性的影响,搭建了气体止推箔片轴承性能试验台,分别对平箔片厚度为0.10 mm,0.15 mm,0.20 mm和0.30 mm的止推箔片轴承进行了承载力、摩擦力矩和楔形区域平箔片变形量的测量。试验结果表明:在相同的载荷作用下,随着平箔片厚度的增加,其变形量减小,使得作用在平箔片上气膜压力分布更均匀,并且降低了轴承的摩擦力矩,但是在平箔片厚度达到0.2 mm以上,其变形量不再明显减小,并且摩擦力矩有所上升,因此在工程应用中应当采用厚度为0.2 mm左右的平箔片。

基于箔片非线性刚度模型的止推箔片轴承特性研究

搭建了波纹箔片刚度测试试验台,基于单片波纹箔片结构的刚度测试试验,利用Matlab拟合试验数据的方式推导出波纹箔片非线性的刚度模型。根据扇形波纹箔片的结构特点,对波纹箔片划分网格,根据各节点的面积占比,对各节点赋予刚度值。通过有限元法和有限差分法,耦合气体雷诺方程、气膜厚度方程以及波纹箔片非线性刚度模型的方程进行求解,研究波纹箔片非线性刚度特点对气体止推箔片轴承静态特性的影响。对恒定刚度模型和非线性刚度模型进行仿真分析,并与试验结果进行对比,验证波纹箔片非线性刚度的合理性。对两种模型所计算的止推轴承偏心率进行比较,发现了止推箔片轴承在轻载时,非线性刚度模型的波纹箔片刚度更小,偏心率更大。另外,利用箔片刚度试验和理论相结合的方法预测止推轴承静态特性,其方法具有一定的工程指导意义。