基于库伦摩擦效应的径向气体箔片轴承-转子系统振动特性
发布时间：2019-10-25 09:31
【摘要】：动压气体箔片轴承较滚动轴承具有的运转速度高、无污染、回转精度高、运行寿命长、高温低温等极限环境适应性强等诸多优点使其在航空航天、低温制冷等关键领域具有广阔的发展前景和重要的应用价值。波箔型径向气体箔片轴承的弹性表面自适应性以及箔片结构内部干摩擦给轴承带来高转速、强稳定性等优点的同时也给轴承箔片结构理论建模带来了难度。本文针对轴承箔片结构内部的摩擦问题展开研究，从箔片轴承理论建模和数值计算方法等基本问题出发，分析了箔片结构内部摩擦效应对轴承静动态特性的影响，并在此基础上搭建了轴承性能测试试验台和轴承-转子系统特性试验台，对箔片轴承进行试验研究,为气体箔片轴承箔片结构摩擦特性提供新的研究方法和手段。 基于有限单元法建立了充分考虑箔片结构内部摩擦效应的波纹箔片刚度理论计算模型，研究了摩擦效应对波纹箔片刚度特性的影响，分析结果表明箔片结构的库伦摩擦效应在一定程度上增大了波纹箔片的刚度，波纹箔片库伦摩擦模型具有比文献线性弹簧更复杂的刚度特性。 在建立了考虑平箔片剪切刚度和箔片结构摩擦效应的箔片结构有限元模型的基础上，采用有限单元法（FEM）和有限差分法（FDM）耦合求解Reynolds方程和气膜厚度方程，研究了平箔片剪切刚度以及箔片结构库伦摩擦效应对轴承静态特性的影响，并将计算结果与NASA试验数据对比验证了箔片结构模型以及数值仿真方法的正确性。 基于小扰动法，结合气体Reynolds方程、气膜压力、气膜厚度和箔片变形之间的数学关系推导出轴承动力学特性系数计算微分方程，通过有限差分法对其进行求解得到不同箔片结构摩擦系数条件下轴承动力学特性系数，获得了波纹箔片摩擦效应对轴承气膜刚度和阻尼系数的影响规律。 根据有限元法建立实际的波箔型径向气体箔片轴承-转子系统模型，结合轴承在各个转速下的刚度和阻尼系数，通过求解转子系统频率方程分析了箔片结构摩擦效应对箔片轴承-转子系统前三阶临界转速的影响。利用Newmark数值计算方法分析了轴承-转子系统的动力学稳定性，结果表明轴承支承处振动幅值随着转速的升高而降低，虽然高速转速较低转速时振动出现低频分量，但轴心轨迹重复性好，并且波纹箔片和轴承壳之间摩擦系数越小，轴承-转子系统稳定性越高。 设计并建立了波箔型径向气体箔片轴承特性测试试验台，，通过改变轴承壳圆柱孔内表面粗糙度，提出了一种研究箔片结构摩擦效应对波箔型径向气体箔片轴承特性影响的试验方法，并对箔片轴承静刚度、起飞转速、极限承载力和轴承动力学特性系数进行了测试，结果表明降低轴承壳圆柱孔内表面粗糙度能够减小轴承静刚度，使得箔片轴承的悬浮转速降低，减少了轴承启停时表面磨损，延长了轴承寿命，同时还能够有效提高轴承极限承载力，为提高箔片轴承承载力提供新的思路。 设计并搭建了波箔型径向气体箔片轴承-转子系统试验台，基于振动频率和平箔片温度测量准确判断了转子起飞转速，重点分析了波纹箔片和轴承壳之间摩擦效应对转子系统动力学特性的影响。通过降低轴承壳内表面粗糙度有效消除了转子高频振动，提高了转子系统运行稳定性，为提高箔片轴承-转子系统运行稳定性提供了新的方法。
【图文】：
- 103 -图 0-12 压缩机系统设备照片Fig.0-12 Photo for compressor system表 5-5 轴承起飞转速试验用传感器参数汇总表Table 5-5 Parameters of sensors used for bearing lift-off speed test传感器名称 型号 测量精光电转速传感器 SZGB-6 1 r/m静力传感器 HDW301 0.1 N测试结果变轴承载荷，对两个轴承壳内壁不同表面粗糙度的箔片，轴承载荷分别为：0、4.9N、9.6N 和 14.5N。图 0-13承壳圆柱孔内表面粗糙度为 Ra=1.6 μm 的箔片轴承在一转速和轴承摩擦力矩随时间变化曲线。从图中可以看出
(a)(c)图 0-23 驱动系统与控制设备 (a) 高压氮气钢瓶 (b) 涡轮 (c) 稳压阀.0-23 Drive system and control device. (a) High-pressure nitrogen tank, (b) Turbine,Regulator valve.4 试验用传感器介绍试验用传感器参数如表 5-7 所示。表 5-7 轴承极限承载力试验用传感器参数汇总表Table 5-7 Parameters of sensors used for bearing limiting load capacity test编号 传感器名称 型号 测量精度1 光电转速传感器 SZGB-6 1 r/min2 静力传感器 HDW301 0.1 N3 热电偶温度传感器 K 型 0.1 ℃3 试验测试结果本试验在转速为 10,000 r/min 和 20,000 r/min 下分别对两个轴承进行极测试，施加载荷与温度变化结果分别如图 0-24 和图 0-25 所示，将结表 5-8，试验结果表明：在相同转速下，增大轴承壳内表面粗糙度，能极限承载力降低，同时在相同轴承壳内表面粗糙度下，转速越高，轴
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2013
【分类号】：TH133.3
本文编号：2552736
【图文】：
- 103 -图 0-12 压缩机系统设备照片Fig.0-12 Photo for compressor system表 5-5 轴承起飞转速试验用传感器参数汇总表Table 5-5 Parameters of sensors used for bearing lift-off speed test传感器名称 型号 测量精光电转速传感器 SZGB-6 1 r/m静力传感器 HDW301 0.1 N测试结果变轴承载荷，对两个轴承壳内壁不同表面粗糙度的箔片，轴承载荷分别为：0、4.9N、9.6N 和 14.5N。图 0-13承壳圆柱孔内表面粗糙度为 Ra=1.6 μm 的箔片轴承在一转速和轴承摩擦力矩随时间变化曲线。从图中可以看出
(a)(c)图 0-23 驱动系统与控制设备 (a) 高压氮气钢瓶 (b) 涡轮 (c) 稳压阀.0-23 Drive system and control device. (a) High-pressure nitrogen tank, (b) Turbine,Regulator valve.4 试验用传感器介绍试验用传感器参数如表 5-7 所示。表 5-7 轴承极限承载力试验用传感器参数汇总表Table 5-7 Parameters of sensors used for bearing limiting load capacity test编号 传感器名称 型号 测量精度1 光电转速传感器 SZGB-6 1 r/min2 静力传感器 HDW301 0.1 N3 热电偶温度传感器 K 型 0.1 ℃3 试验测试结果本试验在转速为 10,000 r/min 和 20,000 r/min 下分别对两个轴承进行极测试，施加载荷与温度变化结果分别如图 0-24 和图 0-25 所示，将结表 5-8，试验结果表明：在相同转速下，增大轴承壳内表面粗糙度，能极限承载力降低，同时在相同轴承壳内表面粗糙度下，转速越高，轴
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2013
【分类号】：TH133.3
【参考文献】
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1 王兆伍，许尚贤;径向波箔轴承的动特性和稳定性分析[J];东南大学学报;1995年06期
2 龚焕孙;波箔轴承中波箔刚度的计算[J];上海机械学院学报;1980年04期
3 侯予,朱朝辉,姚艳霞,王瑾,陈纯正;高速动压气体轴承箔片材料表面处理的探讨[J];润滑与密封;2003年04期
4 侯予,王瑾,熊联友,陈纯正;高速透平气体轴承试验台的建立[J];润滑与密封;2003年05期
5 刘文琰;夏新沛;陈巍;何平;郭宝亭;;波箔式空气轴承箔片支承结构分析的研究进展[J];润滑与密封;2011年10期
本文编号：2552736
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