动压气体柔性箔片轴承以其高转速、良好的抗冲击性、温度适应性强、高可靠性等优点在航空航天、低温工程等领域表现出广阔的应用前景。然而,低粘度润滑气体的采用,使得气体箔片轴承的承载力和动态性能相比油润滑刚性表面轴承有所降低。同时,润滑气体流体激励与箔片结构间的摩擦相互作用,导致气体箔片轴承-转子系统容易出现低频振动问题。为提高箔片轴承承载力及动态性能,丰富其应用范围,本文提出了具有表面微结构的新型径向和止推箔片轴承,建立了稀薄气体下箔片轴承气热弹耦合模型,分析了新型箔片轴承的静动态性能及热特性,验证了新型结构轴承的优越性;针对低频振动现象,研究了箔片轴承-转子系统非线性动力学特性高效的时间序列预测算法,在此基础上,搭建箔片轴承-转子系统试验台,进行了转子系统动力学特性试验验证,为气体箔片轴承的设计、应用提供理论及试验支撑。为提高径向箔片轴承承载力,提出了具有表面微结构的新型波箔型径向箔片轴承,平箔片在中间区域开设沿圆周方向贯通的微槽,微槽深度在微米量级;针对该轴承中更加突出的气体稀薄问题,建立了滑移速度边界的稀薄气体压力控制方程;基于有限差分法仿真研究了常温状态下轴承承载力、粘性摩擦力矩、动力学特性等性能。分析气体滑移边界对新型径向箔片轴承静、动态性能的影响规律,验证了新型径向箔片轴承中更加明显的稀薄气体边界滑移作用。与传统径向箔片轴承对比指出,平箔片表面微槽结构的引入,可减少润滑气体端泄,加强轴承承载力及动态性能,且微槽深度越大,轴承性能提高越显著。提出了具有表面微结构的新型止推箔片轴承,每个扇形平箔片在中间区域开设微坑,微坑深度在微米量级;建立止推箔片轴承滑移速度边界的压力控制方程,给出了止推盘倾斜时的气膜厚度表达式;分析了平箔片表面微坑深度、气体边界滑移效应对新型止推箔片轴承静、动态性能的影响。结果表明具有表面微坑的新型止推箔片轴承在微坑出口处形成额外的收敛楔,使气膜压力升高,提升了轴承承载力及动力学特性。针对新型径向箔片轴承中润滑气体端泄量减少可能带来的更加突出的热问题,建立了稀薄气体下的能量方程及其求解边界条件;与气膜压力控制方程和箔片变形方程耦合,建立了稀薄气体边界速度滑移和温度跳跃条件下的新型径向箔片轴承气热弹耦合模型。分析了平箔片微槽深度对新型径向箔片轴承温升特性的影响,指出轴承气膜温度会随平箔片微槽深度的增大而有所升高。对比常温状态下轴承静特性的仿真结果指出,耦合热效应作用会使气体受热膨胀且粘度升高,增大径向箔片轴承的承载力及粘性摩擦力矩,且气膜温度水平越高,轴承静态性能增大越明显。在箔片轴承-转子系统非线性动力学特性分析中,针对传统弱耦合算法时间不同步带来的求解效率低的问题,从时间序列统计学角度出发,提出了基于时间序列的预测算法;与弱耦合算法比较,验证了时间序列预测算法具有更高的收敛速度和计算效率。基于时间序列预测方法,研究了箔片轴承-转子系统的非线性动力学特性,分析了转子的低频振动现象,指出具有表面微结构的径向箔片轴承可使转子低频出现转速推迟,提高转子系统稳定性。线性分析指出止推箔片轴承的旋转刚度作用会使转子低阶临界转速有所增大。设计并搭建了气体箔片轴承支承涡轮增压器转子系统试验台,进行了转子系统动力学特性试验。通过与仿真结果对比,验证了本文仿真方法的正确性。调整径向箔片轴承名义半径间隙,获得了高速稳定的无油涡轮增压器转子系统。试验研究了径向箔片轴承平箔片微槽深度对转子系统稳定性的影响,获得了与仿真分析一致的结果,验证了新型径向箔片轴承有助于提高转子系统稳定性。
【学位单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TH133.3
【部分图文】：
参 数 数 值位移传感器类型 电涡流灵敏度 16 V/mm幅值线性度 0.26%FS光电传感器类型 LED 光电测量范围 0~250,000 r/min测量距离 ≤1.0 m加速度计类型 压电式灵敏度 1.008 mV/(m/s2)量程范围 ±4900 m/s2频率范围 1~5000 Hz偏压电平 10.9 VDC
【参考文献】
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本文编号：
2891894
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