可倾瓦与弹性箔片动压气体轴承的性能研究

发布时间：2020-07-07 21:21

【摘要】：动压气体轴承因其优于油润滑轴承的优良性能被广泛应用于涡轮膨胀机等高速旋转机械中,对于这类轴承的静、动态性能以及相应转子系统的动力学行为进行系统的实验和理论研究,是轴承设计和使用的关键,对提高轴承性能和扩大其应用范围有重要意义。本文给出了可倾瓦动压气体轴承静、动态性能的计算方法,以及可倾瓦轴承-转子系统动力学行为的分析方法,并在此基础上率先建立了引入压电作动器和PID反馈控制系统的可倾瓦轴承-转子系统振动的主动控制模型,实现了对系统不平衡响应的最优控制。此外,本文还结合国家“863”项目,建立实验台对弹性箔片动压气体轴承的静态和动态性能进行了实验研究。本文的主要研究内容为: 1.在采用有限元法迭代求解动压气体润滑静态Reynolds方程的基础上,计算了可倾瓦动压气体轴承的静态性能并进行了有限元仿真,详细讨论了轴承预负荷、压缩数等轴承参数对轴承静态性能的影响。 2.采用偏导数法在复数域内求解动压气体润滑的动态Reynolds方程,给出了轴瓦和轴颈同频扰动时可倾瓦轴承的动态刚度和阻尼系数的两种计算方法,通过计算结果的对比说明了这两种计算方法的有效性。借助数值仿真结果,讨论了轴承参数对轴承动态系数的影响,并首次全面解释了轴颈和轴瓦的动态扰动频率对可倾瓦动压气体轴承的动态刚度和阻尼系数的影响,以及它们各自在轴承动态系数中所起的作用。 3.应用极限理论,计算了扰动频率Ω→0+和Ω→+∞时可倾瓦轴承的动态刚度和阻尼系数的极限值,提供了一种轴承静态刚度和阻尼系数的计算方法,使得在全频率范围内研究可倾瓦动压气体轴承的动态性能成为可能。 4.依据运动方程中是否包含轴瓦的摆动自由度,建立了可倾瓦轴承-柔性转子系统的两种动力学计算模型,并在考虑轴承动态系数的频率效应的前提下,根据求得的系统特征值分析了转子系统的稳定性,完善了可倾瓦动压气体轴承-转子系统的稳定性分析。结果表明,这两种计算模型得到的系统特征值以及对系统稳定性的分析结果是一致的。 5.通过引入压电作动器和PID反馈控制系统,率先建立了可倾瓦轴承-转子系统振动的主动控制模型,应用最优控制理论得出了系统最优反馈的电压-位移控制律,实现了转子系统不平衡响应的有效抑制,为进一步改善可倾瓦轴承-转子系统的稳定性提供了理论基础。 6.搭建了弹性箔片动压气体轴承的多功能测试实验台,给出了弹性箔片动压气体轴承静、动态性能的测试方法。将摩擦力矩法和位移响应频谱法相结合,较精确地识别出了径向轴承的起飞转速,采用最小二乘法在时域内计算了径向轴承的动态刚度和阻尼系数,重点分析了激振频率对轴承动态系数的影响,并应用位移响应频谱法解决了弹性箔片止推轴承起飞转速实验识别的难题。
【学位授予单位】：西安交通大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2009
【分类号】：TH133.35
【图文】：

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结构简图见图1-1。当系统承受载荷时，各片轴瓦都会根据载荷的大小来补偿气膜厚度的改变，并产生相应的气膜压力来与之平衡，以达到稳定状态。可倾瓦轴承由于各轴瓦均能自由倾斜，进行自动调节，具有良好的自对中能力和较高的稳定性，因而在旋转机械中得到

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了广泛应用[16]，特别是在高速透平机械中日益受到青睐。随着动压气体轴承透平膨胀机在低温系统应用的日益广泛，人们对气体轴承的要求越来越高，要求其在高速下能稳定运转，且能耐冲击、耐振动、易于制造。可倾瓦动压气体轴承以其特有的优点满足了这种要求[17-18]。弹性箔片气体轴承是动压气体轴承的另一种重要形式，它存在多种结构形式[19-20]，典型结构如图 1-2 所示，一般由顶层箔片和带有波纹的弹性支承拱箔构成。弹性箔片气体轴承由于采用弹性支承表面，具有很强的自适应性，在气体动压的作用下轴承表面会发生弹性变形以适应气膜间隙中压力场的变化。轴承结构的阻尼效应可以有效地抑制轴承-转子系统的自激涡动和低频涡动，且因其表面的柔性，也能有效地降低转子和轴承表面的摩擦损耗，所以弹性箔片轴承以其良好的稳定性、较大的承载力、工作温度范围广、低摩擦功耗、耐振动冲击、启停性能好、产品可修复性好、可在存在污物与水分的环境下运行等优点而在气体循环机、高速涡轮机械和高速透平机械中具有良好的发展潜力和应用前景[14, 21-25]。综上所述，气体轴承，尤其是可倾瓦动压气体轴承和弹性箔片动压气体轴承在旋转机械中具有可观的应用前景。因此，对这些轴承的理论和实验研究具有重要的工程意义。

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西安交通大学博士学位论文图 2-3 给出了轴承数 Λ =3.5，长径比 L / D = 0.825，偏心率'ε =0.6时轴瓦 2 的无量纲气膜压力2P 和气膜厚度2H 的三维分布。可以看出：沿轴颈旋转方向，气膜厚度逐渐减小，气膜压力逐渐增大，在接近出气端出现最大值，轴瓦四个端面的气膜压力与环境压力相同。

【引证文献】