基于接触力学的八悬臂薄片气体动压轴承承载特性研究

发布时间：2020-05-14 16:33

【摘要】：薄片动压轴承是一种以弹性薄片构成柔性接触面,以高速气体通过收敛间隙形成的动压效应完成非接触式支承的轴承。优点是极限温度环境下适应性好,高转速条件下良好的阻尼特性,装配误差容许度好,寿命长。所以,其已经在低温制氧机、空气循环机、微型涡喷发动机、微型燃气轮机、涡轮增压器、高速风机中有了实际的应用。但是,悬臂型薄片轴承目前存在的技术资料较少,且主要被外国的科研机构所掌握。同时,互相搭接的薄片结构复杂,理论建模不够完善,因而本文主要的工作便是构建一个考虑到了诸多因素的理论模型,加以仿真计算,再通过实验研究,完成对模型的实验验证。本文基于有限元法对轴承-气膜-转子系统进行了充分的理论建模。首先,采用曲梁单元对各个悬臂建立有限元模型。其次,考虑到薄片之间、薄片与轴套之间、薄片与转子之间的接触约束,基于计算接触力学构建各结构间的接触模型,通过牛顿迭代法计算相互搭接的薄片结构的非线性变形。同时对转子装配与静态加载过程也进行了理论建模,从而使得薄片轴承的理论计算更贴近实际物理模型。关于气膜分析,基于伽辽金法对雷诺方程进行逐步降阶,通过有限元法求解,获得了气膜的厚度和压力分布,完成气弹耦合计算,最终完成对悬臂型薄片轴承理论性能的整体建模。在对模型进行编程计算后,得到的加载仿真结果表明:转子转速大小对轴承的极限承载能力影响较小。此外,在考虑轴套约束后,承载力计算值较大,更加接近实验值。悬臂型薄片轴承的承载特性受到薄片厚度、薄片曲率半径以及径向间隙等因素的影响较大,且各个分析参数在提高轴承极限承载能力方面都存在着理论上的最优值。本文设计并搭建了用于八悬臂薄片轴承性能测试的平台,设计加工轴承实验件,完成了静态转子加卸载实验,得到了薄片结构承载特性,且在不同转子转速条件下进行轴承加载实验,测试了轴承承载能力。得到的结果表明:转子转速对轴承承载特性的影响确实较小,而测得实际的结构刚度和极限负载均比仿真的结果偏大。
【图文】：

也就意味着转子插入后在运转时不能反转，一旦反转，轴承无法形成动压将转子浮起，造成轴承的失效。图2-1 气体动压润滑原理示意图Rxy转子表面1OO'1I ,Ihbθ不均匀网格均匀网格34ω图 2-2 八悬臂薄片轴承结构示意图 图 2-3 轴承气膜润滑示意图2.2.2 薄片曲梁模型构建当薄片轴承刚装配好时，，正处于理论设计下的初始状态，各个薄片之间轻轻相互重叠，上下薄片之间处于线接触的状态。搭配转子安装好的薄片轴承在理想状态下应如图 2-4 所示，O 为轴承外壳的加工圆心，M 是内部转轴的回转中心，O1和 O2分别是薄片装配好后的初始曲率圆圆心。由于目前的悬臂型薄片轴承均属于中心对称性分布，则显然，它们的曲率圆的圆心必然落在同一个构造圆上。

收敛型的楔形间隙的时候，由于其流量恒定但流过的横截面积逐步减小，其内部必然产生一定的动压力以便于气体加速流出面积缩小的间隙口。而分析到图 2-2 所示的八悬臂径向薄片轴承的结构示意图以及 2-3 的气膜润滑原理图时，其主要的结构由 8 个厚度极为薄的薄片、8 个细长的紧固条以及轴承壳体三个部分组成。弹性薄片的锁紧端是被紧固条塞紧固定在沿轴套轴向均匀分布的八个凹槽里，而放松的另一端则是按顺序自由的搭放到相邻的薄片上，最终完全的构成一个形成封闭环，以确保弹性表面就会将伸入相对的转子表面完美包住，避免出现转子与轴承壳直接接触的情况。当转子开始运转，便会形成多个收敛的楔形间隙，为其提供足够的高压气膜，完成气体润滑轴承的使命。此外，这种形式的构型，无疑比靠着反复弯折的波箔式轴承有着更好的适应性，可以驾驭?
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TH133.37

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本文编号：2663634