柔性动压气体轴承及其转子系统的理论和实验研究

发布时间：2020-04-08 20:35

【摘要】：随着旋转设备朝着高转速,高功率密度的方向发展,气体轴承由于采用气体作为润滑介质,摩擦和功耗极小,容易获得极高的DN值,正逐渐成为高速轻载设备的首选。动压气体轴承,由于不需要额外的气源,直接采用环境气体作为润滑介质,大大简化了设备结构,从而提高了设备的可靠性,同时大大降低了设备成本。然而加工精度要求高、稳定性差、承载能力低等正成为制约动压气体轴承发展的关键因素。柔性动压气体轴承由于其柔性的支承结构,使得轴承能够容忍一定的加工误差,从而降低了轴承的加工精度要求。本文从优化轴承结构设计和提高轴承稳定性的角度出发,研究了两种柔性动压气体轴承,即高阻尼柔性支承可倾瓦动压气体轴承和波箔型动压气体箔片轴承。本文通过在柔性支承可倾瓦气体轴承中引入金属丝网阻尼材料得到一种高阻尼柔性支承可倾瓦气体轴承,该轴承中的金属丝网材料能够耗散一定的振动能量,从而提高轴承的稳定性。可倾瓦气体轴承由于其瓦面为刚性表面,同时分离的瓦块导致轴承不能形成大区域连续的气膜,从而轴承的承载能力受到一定的限制。气体箔片轴承由于其连续的全柔性支承结构,更容易形成大区域连续的高压气膜,因此能够获得较大的承载能力。本文对上述两种柔性动压气体轴承的静动态以及非线性特性进行了全面而深入的理论及实验研究。同时,随着气体轴承的应用越来越广,气体轴承-转子系统动力学的问题也备受关注。本文从理论和实验的角度对上述两种柔性动压气体轴承-转子系统的转子动力学特性进行了深入的研究。本论文的主要研究内容和获得的研究成果包括以下几个方面:将金属丝网材料引入柔性支承可倾瓦气体轴承中得到一种高阻尼柔性支承可倾瓦气体轴承。分别建立了柔性支承可倾瓦气体轴承及金属丝网块的理论模型,并将两者相互耦合,从而建立起高阻尼柔性支承可倾瓦气体轴承的气弹耦合润滑模型。根据该理论模型推导了轴承静动态特性的求解方法,模型预测结果与已有文献结果对比验证了该模型的可靠性。研究了轴承参数(金属丝网密度、瓦块径向刚度、金属丝网环预紧量、轴承间隙以及瓦块预载)和运行条件(转速、载荷)等对轴承静态性能(偏心率、姿态角)和动态系数的影响。预测结果证实了金属丝网材料对提高轴承阻尼特性的有效性。提出的轴承理论模型及静动态性能预测方法为轴承以及轴承-转子系统的合理设计提供了重要工具。采用时域轨迹法,耦合轴的运动方程、可压缩气体瞬态雷诺方程、瓦块-金属丝网运动方程,建立了高阻尼柔性支承可倾瓦气体轴承的非线性预测模型。预测结果与已有文献中预测及实验结果吻合良好,证实了本模型的可靠性。预测结果表明金属丝网材料的引入提高了轴承的稳定性。研究了金属丝网密度、外界失稳扰动力、瓦块径向刚度、瓦块预载以及轴承名义间隙对轴承非线性稳定性的影响。对轴承非线性特性的研究有助于进一步扩展轴承的应用范围和运行工况。基于高阻尼柔性支承可倾瓦气体轴承的非线性预测模型,对轴承的分叉特性进行了研究。通过轴心轨迹图、FFT图、庞加莱图以及分叉图等研究了轴承的非线性特性及不同参数的分叉特性。分别分析了转速、转子质量、不平衡半径、瓦块径向刚度、瓦块预载等参数对转子分叉特性的影响。预测结果表明随分析参数值的变化转子响应在周期运动、多倍周期运动和准周期运动中不断变化,揭示了该轴承复杂的非线性特性,为轴承的设计积累了大量的数据。通过耦合可压缩气体雷诺方程,顶箔二维板单元模型以及波箔刚度模型,建立了径向气体箔片轴承的气弹耦合润滑模型,并基于该模型推导了轴承静动态性能的预测方法。预测结果与实验结果对比验证了该模型的可靠性。设计了气体箔片轴承支承的无油涡轮增压器实验台,基于建立的气体箔片轴承理论模型,建立了该实验台轴承-转子系统的转子动力学模型,在设计过程中对所设计的实验台转子系统进行转子动力学分析,并根据分析结果调整轴系结构直到满足设计要求。进一步搭建了采用气体箔片轴承支承的无油涡轮增压器实验台,实验台稳定运转,验证了该实验台设计方案的可行性。为研究气体箔片轴承-转子系统的转子动力学特性,基于该实验台进行了一系列转子动力学实验。研究了轴承焊点安装位置对气体箔片轴承-转子系统转子动力学特性的影响,实验结果表明当焊点位于90°(水平方向)时实验台能获得最好的转子动力学性能。建立了考虑气体箔片推力轴承的气体箔片轴承-转子系统的5自由度(5-DOF)转子动力学模型,该模型耦合了径向气体箔片轴承,气体箔片推力轴承以及刚性转子模型。在频域内分别预测了对称和非对称轴承-转子系统的模态刚度和模态阻尼,研究了轴向力对系统模态刚度及模态阻尼的影响。对气体箔片轴承-转子系统在时域内进行了非线性仿真,预测了不同轴向力下对称及非对称轴承-转子系统分别在同向及异向不平衡情况下的非线性动力学响应,预测结果表明气体箔片推力轴承以及轴向力对气体箔片轴承-转子系统的转子动力学性能有显著影响。综上所述,本文对两种柔性支承动压气体轴承,即高阻尼柔性支承可倾瓦气体轴承和气体箔片轴承进行了深入的理论及实验研究。建立了高阻尼柔性支承可倾瓦气体轴承完善的静态、动态以及非线性预测模型,预测结果证明了金属丝网材料的引入能够有效地提高轴承的阻尼及稳定性。本文积累了大量的轴承结构参数和轴承运行条件对轴承静动态以及非线性动力学特性影响的数据,为轴承的优化设计提供了数据支持。建立的气体箔片轴承理论模型能够有效地辅助轴承的设计,同时为转子动力学分析提供了重要工具,搭建的无油涡轮增压器实验台研究了气体箔片轴承-转子系统的转子动力学特性。对实验台的大量转子动力学实验得出了最优的轴承焊点安装角度。考虑气体箔片推力轴承的气体箔片轴承-转子系统转子动力学分析揭示了气体箔片推力轴承及轴向力对气体箔片轴承-转子系统转子动力学性能的影响。
【图文】：

可倾瓦轴承[1]

图 1.2 柔性支承可倾瓦气体轴承[7]图 1.3 静动压混合高阻尼可倾瓦气体轴承[9]展和应用的一个主要的障碍。文献[9, 10]提体轴承，如图 1.3 所示。在该轴承结构中，，
【学位授予单位】：湖南大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TH133.3

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本文编号：2619806