Bifurcation and Chaos Analysis of Nonlinear Rotor System with Axial-grooved Gas-lubricated Journal Bearing Support

Axial-grooved gas-lubricated journal bearings have been widely applied to precision instrument due to their high accuracy, low friction, low noise and high stability. The rotor system with axial-grooved gas-lubricated journal bearing support is a typical nonlinear dynamic system. The nonlinear analysis measures have to be adopted to analyze the behaviors of the axial-grooved gas-lubricated journal bearing-rotor nonlinear system as the linear analysis measures fail. The bifurcation and chaos of nonlinear rotor system with three axial-grooved gas-lubricated journal bearing support are investigated by nonlinear dynamics theory. A time-dependent mathematical model is established to describe the pressure distribution in the axial-grooved compressible gas-lubricated journal bearing. The time-dependent compressible gas-lubricated Reynolds equation is solved by the differential transformation method. The gyroscopic effect of the rotor supported by gas-lubricated journal bearing with three axial grooves is taken into consideration in the model of the system, and the dynamic equation of motion is calculated by the modified Wilson-0-based method. To analyze the unbalanced responses of the rotor system supported by finite length gas-lubricated journal bearings, such as bifurcation and chaos, the bifurcation diagram, the orbit diagram, the Poincar6 map, the time series and the frequency spectrum are employed. The numerical results reveal that the nonlinear gas film forces have a significant influence on the stability of rotor system and there are the rich nonlinear phenomena, such as the periodic, period-doubling, quasi-periodic, period-4 and chaotic motion, and so on. The proposed models and numerical results can provide a theoretical direction to the design of axial-grooved gas-lubricated journal bearing-rotor system.

Numerical Analysis on the Static Performance of Gas Journal Bearing by Using Finite Element Method

In this paper,finite element method is used to calculate the static performance of gas journal bearing,in which rotation speed term is introduced into the stiffness matrix of linear triangular element to realize the performance calculation of the bearing with rotation speed.The results indicate that the average gas film thicknesses corresponding to the maximum load capac-ity and stiffness,and the minimum attitude angle increase with the growth of orifice diameter.Load capacity and stiffness significantly improved with the increase of rotation speed,eccentricity ratio and supply pressure when the bearing has thin average gas film thickness.Attitude angle increases with the growth of rotation speed,while the growth rate slows down or even decreases at high speed.The most effective way of reducing attitude angle is to increase supply pressure.It can be found that rotation speed affects attitude angle through changing gas pressure difference between two orifices,while other parameters have the same effect by changing gas pressure at orifice outlet.

超临界二氧化碳动静压径向可倾瓦轴承实验台设计与实验研究

针对超临界二氧化碳(S-CO_(2))动力机组在启动和停止阶段气体轴承产生非常大的摩擦磨损,以及气体轴承承载力低、刚度低、阻尼小、稳定性较差等问题,设计并改进一种新型动静压S-CO_(2)润滑径向可倾瓦轴承结构。设计并搭建S-CO_(2)润滑轴承实验台,针对于实验台转子刚启动和极低转速工况,对新型S-CO_(2)润滑动静压径向轴承在静压状态下的动态特性进行实验研究,得到轴承的动态刚度和动态阻尼,并分析静压对轴承动态性能的影响。实验结果表明,设计的S-CO_(2)动静压径向可倾瓦轴承在启停阶段,在轴瓦与轴颈之间产生了足够的静压压力,可将二者完全分隔开,从而能减少启停阶段的摩擦磨损;随着静压压力的增大,轴承X、Y方向上的整体刚度、主阻尼都增大,且2个方向的主刚度系数差别不大,而交叉刚度和交叉阻尼都接近于0。研究结果为进一步揭示S-CO_(2)润滑径向轴承动压状态特性提供参考。

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。

New numerical solution for self-acting gas journal bearings

Taking a small pressure change in the gas film of self-acting gas-lubricated journal bearings into account, the corresponding nonlinear Reynolds equation is linearized through appropriate approximation and a modified Reynolds equation is derived and solved by means of the finite difference method (FDM). The gas film pressure distribution of a self-acting gas-lubricated journal bearing is attained and the load capacity is calculated. The numerical solution has a better agreement with experimental data than a direct numerical solution for different values of the bearing number. It is of interest to note that the eccentricity ratio, at which the new numerical solution is in better agreement with experimental data, is different when the bearing number is changing. The new numerical solution is slightly larger when the eccentricity ratio is smaller, and becomes slightly smaller when the eccentricity ratio is larger.

基于动网格模型的液体动静压轴承刚度阻尼计算方法

针对雷诺方程不能反映高速油流周向惯性效应、轴颈周向动压效应和静压扩散效应之间的非线性耦合关系及其对三维流场特性的影响,进而导致动静压轴承刚度阻尼的计算精度难以满足高转速精密轴承设计需要之现状,提出基于纳维-斯托克斯方程的动网格计算轴承刚度阻尼新方法。该方法采用自定义程序实现轴颈的旋转速度、位移扰动和速度扰动以及扰动过程中油膜力的计算等功能,成功将轴颈的旋转动边界转换为静边界,有效避免因轴颈旋转引起的网格畸变,并利用弹簧光顺模型更新轴颈受速度扰动和位移扰动引起的油膜网格挤压变形。通过对比研究瞬态和稳态条件下油膜力的变化,界定计算刚度阻尼系数时速度扰动和位移扰动的合理取值范围。利用所提出的方法计算典型轴承的刚度阻尼系数,再现动静压轴承油膜厚度和三维流场压力分布的动态发展过程,并采用影响系数法对该轴承的刚度系数进行试验测试。通过对比试验数据和动网格计算结果发现两者基本吻合,表明所提出的计算方法是有效可行的。

小孔节流深浅腔动静压轴承承载特性解析研究

小孔节流深浅腔动静压轴承是一种采用小孔节流器实现节流作用及浅腔实现二次节流作用的动静压混合轴承。针对现有理论不能解析研究油腔结构参数及工作参数对承载特性影响规律的不足，以及计算流体力学数值仿真软件计算时周期长，而不便于工程设计人员应用的缺点，基于油腔压强分段线性化的思想，建立分析小孔节流深浅腔动静压轴承的油腔压强、承载能力、静刚度、进油流量及温升等承载特性的解析方法。进而以该方法研究动静压轴承的供油压强、主轴转速、进油孔径、浅腔深度、初始油膜厚度等参数对轴承承载特性的影响规律。研究发现，在其他结构参数及工作参数一定的条件下，浅腔深度为初始油膜厚度的2～3倍时，轴承刚度接近最大、温升接近最低。通过油腔压强的解析值与试验值的比较，证实了该方法的有效性和研究结果的正确性。

气穴现象对动静压浮环径向轴承压力场的影响研究

由Navier-Stokes方程得出计入惯性项的变密度、变粘度的深浅腔动静压浮环径向轴承的内、外油膜无量纲非定常Reynolds方程,给出深腔压力边界条件和流量边界条件,对不同偏心率下不同含气率的内、外油膜压力场进行了分析。计算表明,深腔气穴使动静压浮环径向轴承的内、外油膜的压力峰值下降,在小偏心率下影响较为明显,对内油膜压力峰值的影响大于外油膜。

基于多变量优化的混合节流主动油膜轴承动态性能分析

主动油膜轴承具有良好的动静态性能,已越来越多地用于精密旋转机械设备中,尽管如此,主动油膜轴承的动态性能在很大程度上受到控制系统复杂性和耦合效应的影响。文中提出一种固定与伺服控制混合节流的主动控制油膜轴承,基于单神经元的多变量控制策略,建立了混合节流主动油膜轴承系统的数学模型。结果表明:该油膜轴承能较准确地控制主轴轴心位置,具有良好的可控性、稳定性、快速响应特性及高刚度和强阻尼等特性。

锯齿形多槽式动静压气体润滑轴承稳态和动态特性的研究

针对所提出的一种锯齿形多槽式动静压气体的润滑轴承，研究了轴承主要设计参数对稳态和动态特性的影响规律，得出了一般的设计原则。

动静压气体轴承的结构参数设计

针对人字槽狭缝节流动静压气体轴承的结构参数对轴承静态特性的影响,采用四因素三水平的正交试验法,以人字槽深度hg、人字槽宽度b、狭缝宽度z以及狭缝深度H为4种因素,以4种参数的3个不同取值为3种水平,组合成正交表。采用Solidworks软件、ICEM软件以及Fluent软件对正交表中的各种组合的人字槽狭缝节流动静压气体轴承分别进行三维建模,网格划分以及仿真求解。根据仿真结果,利用灰色关联分析法分析与轴承静承载力、静刚度的关系最密切的轴承参数组合,及各个轴承参数对轴承的静承载力以及静刚度的影响程度,为动静压气体轴承的结构参数设计提供理论基础。

基于混合均质模型的气液两相流润滑动静压轴承性能分析

依据所建立的从全液体状态经混和介质状态,直至全气体状态的连续汽化流体属性模型,联合广义雷诺方程及全能量方程,从理论上对处在连续变化低温介质条件下的径向动静压轴承的静动特性进行研究。研究结果表明,由于两相流条件下的流体压缩性发生了极大变化,因而使得处在该条件下的轴承性能不再满足全液体或全气体介质润滑下的轴承性能规律。

有限体积法与正交试验法相结合的动静压轴承结构优化设计

针对小孔节流深浅腔动静压轴承的性能优化问题,基于平行平板扩散流动计算模型及流量守恒原理,推导了微元控制体边界压力的插值函数,提出了分析小孔节流深浅腔动静压轴承的油腔压力、承载力、静刚度、进油流量及温升等承载特性的有限体积计算方法。使用该方法研究了供油压力、主轴转速、进油孔径、浅腔深度、初始油膜厚度等参数对小孔节流深浅腔动静压轴承承载特性的影响规律,从而得到了以上相关参数的优化区间。在此基础上,采用四因素三水平的正交试验法,在满足多目标性能最优的前提下,得到了小孔节流深浅腔动静压轴承结构参数与工作参数的最优组合。以该组参数试制了小孔节流深浅腔动静压轴承并建立了试验平台,测量了不同转速及供油压力下油腔的压力值。试验结果表明,轴承油腔压力试验数据及理论计算值随主轴转速的变化趋势一致;误差在11%以内。验证了有限体积法与正交试验法相结合的动静压轴承结构优化设计方法的正确性。

基于热弹流体动力混合润滑的船舶柴油机主轴承摩擦研究

基于柔性机体和柔性曲轴模型,运用JFO边界条件下的扩展Reynolds方程和Greenwood/Tripp微峰接触理论,计入温度对摩擦润滑的影响,建立船舶柴油机机体和曲轴耦合下的主轴承的热弹流体动力混合润滑模型,并与不同计算模型进行对比和验证。结果表明:在热弹流体动力混合润滑模型下,单轴承座模型的计算结果偏于保守,整机体模型较为合理;在全柔性整机体模型下,THD模型过于理想,计入定值温度影响的EHD模型较TEHD模型的摩擦功耗偏大,说明温度对油膜的影响对主轴承的摩擦特性有重要作用。同时,通过与ALLMAIER方法对比验证,表明TEHD计算模型更具可靠性。因此,对于大型船舶柴油机而言,全柔性、计入表面接触和温度对油膜及摩擦副影响的热弹流体动力混合润滑模型是适宜的选择。

大型动静力径向可倾瓦轴承热弹流体润滑研究

用有限元素法建立瓦块3维弹性变形计算模型。针对小包角瓦块支点非均匀布置方 式及下方瓦块设有高压油顶起油囊的大型低速重载动静力润滑径向可倾瓦轴承，研究了由于 瓦块3维弹性变形对轴承热动力润滑性能的影响。结果表明，在低速重载条件下需要考虑瓦 块的弹性变形对动静力可倾瓦轴承热动力润滑性能的影响。

混合轴承动特性简化计算方法

用一维流计算原理分析了多腔混合轴承的动态特性 ;计算了典型的毛细管节流四腔轴承在各种设计参数下的线性化刚度系数和阻尼系数 ,得到了轴承相应的刚度和稳定性速度阈值 ;比较了简化计算方法得到的数据与传统的雷诺方程数值解法得到的数据 ,且讨论了前者的误差影响。在常用工况条件下 ,其计算结果满足工程需要。

锯齿形多槽式动静压气体润滑轴承稳定性研究

针对作者提出的锯齿形多槽式动静压气体润滑轴承，其支承刚性对称轴系进行稳定性分析，并给出计算实例．

基于TRIZ的动静压滑动轴承油腔结构创新设计

以TRIZ理论为指导,提出一套基于知识的径向动静压滑动轴承油腔结构创新设计方法:以油腔结构须满足的润滑性能作为设计指导,建立油腔结构设计属性表,总结油腔结构的可创新角度;建立属性表与TRIZ工程参数对应的关联表;利用矛盾矩阵表查找发明原理,结合油腔的可创新角度把高度抽象的发明原理具体化,进而提出轴承油腔结构的创新设计方案。利用该设计方法提出一种六腔结构动静压滑动轴承,通过FLUENT验证,表明在轴径倾斜工况下,与四腔动静压滑动轴承相比其承载力具有优越性。

非对称动静压轴承静动特性

用有限元方法研究了２ 种典型的非对称结构及参数的动静压轴承的静动特性．结果表明：非对称结构及参数的动静压轴承的轴心位置与承载能力及承载角的关系具有特殊性，在工作状态下具有偏心较大、动压与静压共同作用、刚度高、阻尼大且刚度Ｋｘｘ与Ｋｙｙ、阻尼Ｄｘｘ与Ｄｙｙ差异显著的特点．

POWELL优化算法在混合气体轴承数值计算中的应用

根据流量守恒推导出混合气体轴承微元控制体的差分方程,用牛顿-拉夫逊方法求解此方程。对于较难处理的小孔边界条件,由区域流量平衡构造目标函数,用POWELL优化方法进行求解,并将计算得到的轴承承载力与Powell实验结果和其他理论分析方法的计算结果进行比较。结果表明:采用POWELL优化算法处理小孔边界条件,成功解决了将小孔流量作为源项时的小孔伪回流问题。该方法具有很高的计算精度,可用于动压、静压轴承以及较高转速下混合气体轴承性能的精确计算。采用牛顿-拉夫逊法求解轴承气膜压力分布,不需要确定最佳松弛因子,在所有离心率下,计算结果均与实验结果符合得很好。