球面螺旋槽气体动压轴承动态特性及稳定性分析

发布时间：2017-08-24 21:55

  本文关键词：球面螺旋槽气体动压轴承动态特性及稳定性分析

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【摘要】：气体润滑轴承作为一种新型滑动轴承,正在逐渐被人们重视。气体轴承的优点是运行时无噪声、摩擦小、不产生热量、振动小、寿命长,能够在特殊环境中稳定工作,并且磨损小。球面螺旋槽气体动压轴承是一种新型结构的滑动轴承,它既能承受径向载荷又能承受轴向载荷,且结构紧凑,回转精度高,广泛应用于陀螺仪、姿态控制装置、旋转机械等设备中,无论是从性能上还是从结构上都远远优于其他类型的气体动压轴承。本文以计算流体动力学、气体润滑理论以及转子动力学理论为基础,针对球面螺旋槽气体动压轴承静态承载性能、动态特性以及稳定性进行了理论研究与分析计算,并对气体轴承气膜的动态特性系数和稳定性进行试验研究,具体的研究内容包括。以球面螺旋槽气体动压轴承为研究对象,建立气体轴承润滑分析的数学模型,基于CFD技术,采用流体动力学FLUENT软件,对球面螺旋槽气体动压轴承三维气膜压力场进行仿真分析,揭示不同转速下,轴承偏心率、槽宽比、槽深比、螺旋角、槽数和气膜间隙对稳态轴承气膜压力以及承载能力的影响规律,并在此基础上,对轴承的结构参数进行优化。结果表明,应用FLUENT软件进行数值分析可以较为精确的模拟区域内气膜的复杂流场特性,并且转速越高,气体轴承内部的动压效应越明显,因此合理的选择轴承结构参数和运行参数有助于改善润滑性能,提高轴承的稳态承载特性。建立轴承-转子系统模型,基于CFD的动网格模型,通过自定义的UDF程序实现转子旋转速度与位移扰动、旋转速度与速度扰动相结合求解动态特性系数的功能,分析非线性气膜力的变化,并将转子的旋转动边界转换为静边界,避免转子在旋转过程中引起的网格畸变问题,从而再现动压气体轴承气膜厚度与三维流场内非线性气膜压力的动态发展过程,研究不同转速和偏心率对气体轴承瞬态刚度系数和阻尼系数的影响规律,探索气浮轴承瞬态非线性动力学行为。在求解动态特性系数的基础上,计算不同时间历程转子的轴心涡动轨迹,建立稳定性判断准则,研究不同转速下气体轴承的稳定性。结果表明:不同的转速和偏心率对轴承动态刚度和动态阻尼的影响较为显著,合理的选择轴承的转速和偏心率有助于改善轴承的动态特性。研究结果为动压气体轴承在复杂运行环境中提高稳定性提供了理论预测。
【关键词】：气体动压轴承 球面螺旋槽 FLUENT 承载特性 动网格技术 动态特性系数 稳定性
【学位授予单位】：河南科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TH133.3
【目录】：

• 摘要3-5
• Abstract5-9
• 第1章 绪论9-15
• 1.1 课题研究的目的和意义9-10
• 1.2 气体轴承的国内外研究现状10-13
• 1.2.1 国外发展现状10-12
• 1.2.2 国内发展现状12-13
• 1.3 本文的研究内容13-15
• 第2章 球面螺旋槽气体动压轴承气体润滑理论15-25
• 2.1 球面螺旋槽气体动压轴承润滑理论15
• 2.2 CFD技术与应用15-17
• 2.3 流场控制方程的建立17-18
• 2.4 基于FLUENT的气体流场模拟18-23
• 2.4.1 FLUENT软件的分析环节19
• 2.4.2 FLUENT软件的求解流程19-20
• 2.4.3 ICEM软件的介绍20-21
• 2.4.4 网格的类型及选择21-22
• 2.4.5 网格密度的选择22-23
• 2.5 求解器的选择23-24
• 2.5.1 模型假设23
• 2.5.2 粘性模型的选择23
• 2.5.3 仿真中的监测23-24
• 2.6 本章小结24-25
• 第3章 球面螺旋槽气体动压轴承的静态特性分析25-39
• 3.1 建立球面螺旋槽气体动压轴承流场计算分析模型25-28
• 3.1.1 有限元模型的建立25-27
• 3.1.2 网格的生成27-28
• 3.1.3 边界条件的确定28
• 3.2 FLUENT模拟计算28-37
• 3.2.1 模拟参数的设置28-29
• 3.2.2 计算方法的设置29-30
• 3.2.3 轴承气膜压力分布分析30-33
• 3.2.4 球面螺旋槽气体动压轴承承载力影响因素33-37
• 3.3 结论37-38
• 3.4 本章小结38-39
• 第4章 球面螺旋槽气体动压轴承的动态特性及稳定性分析39-53
• 4.1 基于FLUENT动网格模型的计算方法39-45
• 4.1.1 FLUENT动网格模型介绍39
• 4.1.2 FLUENT动网格模型的更新方法39-41
• 4.1.3 UDF的基本用法41
• 4.1.4 动态刚度与动态阻尼系数的差分计算模型41-43
• 4.1.5 FLUENT动网格瞬态气膜力求解方法43-44
• 4.1.6 边界条件的设置44-45
• 4.2 球面螺旋槽气体动压轴承动态特性系数仿真分析45-49
• 4.2.1 刚度系数的计算方法45-48
• 4.2.2 阻尼系数的计算方法48-49
• 4.3 球面螺旋槽气体动压轴承的稳定性分析49-52
• 4.3.1 轴承-转子系统运动微分方程49-50
• 4.3.2 轴承-转子系统稳定性分析50-52
• 4.4 本章小结52-53
• 第5章 球面螺旋槽气体动压轴承的实验分析53-61
• 5.1 实验台结构简介53-56
• 5.2 实验方案56
• 5.3 实验步骤56
• 5.4 实验值与理论值的对比与分析56-60
• 5.4.1 动态特性系数试验对比与分析57-59
• 5.4.2 稳定性试验对比与分析59-60
• 5.5 本章小结60-61
• 第6章 结论与展望61-63
• 6.1 结论61-62
• 6.2 展望62-63
• 参考文献63-67
• 致谢67-68
• 攻读硕士学位期间的研究成果68

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前4条

1 张广辉;刘占生;;径向气体轴承-柔性转子耦合系统动力学研究[J];航空动力学报;2010年06期

2 孙雅洲;卢泽生;饶河清;;基于FLUENT软件的多孔质静压轴承静态特性的仿真与实验研究[J];机床与液压;2007年03期

3 王丽丽;葛培琪;路长厚;王珉;;螺旋槽流体动压滑动轴承数值分析[J];润滑与密封;2005年06期

4 郭力;空气轴承的原理与应用[J];磨床与磨削;2000年02期

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本文编号：733355