波箔动压气体轴承承载特性的理论与实验研究

发布时间：2016-05-07 06:26

第1章 绪论

1.1  课题的背景、研究的目的及意义
旋转机械在航空航天、制冷、农业、石油工业等行业中取得了广泛应用，因此人们对轴承提出了越来越高的要求：高转速和高精度之外，更要求其能够在高、低温等极端工作环境中有良好的表现。传统的滚动轴承、液体滑动轴承由于具有较高的承载能力、较好的稳定性等优点而被普遍应用于各种机械设备中，但是内部结构的复杂性、滚动体在高速运转时产生的离心力以及轴承发热等因素也限制滚动轴承向超高精度、超高速度等方向的发展，成为精密工程、航天、制冷设备领域发展的瓶颈。 气体轴承利用空气压力使转子浮起，并采用空气作为润滑剂，它具有高转速、高精度、耐寒、耐热、低摩擦、无污染、使用寿命长等特点[1]  。1854 年，法国学者赫恩提出由空气充当润滑介质，这是气体润滑理论最初的构想。20 世纪初，随着精密工程的发展与需求，气体润滑技术得到了新的发展并逐渐受到了人们的重视。通过气体压力是由气体本身运动产生还是外界施加，人们将气体轴承区分为气体动压轴承和静压轴承。其中静压气体轴承需要供气系统产生的高压气体实现承载与润滑，其系统结构的复杂性也限制了静压轴承在一些领域的广泛应用。动压气体轴承理论上是通过转子与转套之间形成的楔形间隙形成动压气膜实现承载，无需专门的供气系统，结构较轻巧方便[2]。 弹性动压箔片轴承中装有弹性箔片，弹性箔片上产生动压气膜并引起弹性变形。由于弹性元件的作用，箔片结构的变形能够减弱转子不对中因素以及其他形式的装配误差，提高了轴承的适应能力。当转子出现扰动时，箔片结构的阻尼特性能够抑制这种振动或能量，通过摩擦或结构变形将扰动能量释放，使转子系统运转。近些年，各交叉学科的诞生给箔片轴承的研究提供了新的思路，其中材料学科、金属热处理工艺、精密加工工艺等方向的引入大大提高了此类轴承的性能，并在高速重载机械设备以及一些极限条件下的机械设备中占有一席之地[3]。气浮轴承以空气作为润滑介质，避免固体或液体表面直接接触，因此获得了极小的摩擦转矩，这使得转子系统运转轻巧灵活，易启动易控制。 
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1.2  径向波箔气体动压轴承研究现状
波箔轴承的研究至今已有五六十年的发展，起初是由国外提出并开始研制，国外学者提供了大量的轴承设计结构样式以及建模方法。从箔片轴承提出至今，波箔轴承的类型演变出了以下几种形式： （1）第一代波箔型动压气体轴承    图 1-1 所示为第一代波箔轴承的结构。轴承主要零件有：平箔片、波纹箔片和轴承套。其中平箔片与波箔片一段固定于轴承套，另一端可沿着周向自由滑动，并且两种箔片构成波箔轴承中的弹性箔片结构，在载荷力的作用下一起发生变形 上世纪八十年代，第一代波箔轴承被成功地在波音 747 的制冷空气循环系统中。后来，Hamilton 在第一代轴承的基础上在第一代轴承中平箔片与顶箔片之间加入中间箔片，形成了多层结构，如图 1-2 所示，提高了箔片结构的整体刚度。这三层箔片能够形成双层弹性支承，相当于两层弹簧系统并联，提高了轴承抗震能力，多层箔片结构能使刚度变化更加均匀，防止刚度突变。1982 年，这种轴承成功应用于 F22 战斗机的空气制冷设备中。
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第2章 径向波箔气体动压轴承理论建模

2.1  引言
波箔型轴承的变形计算涉及的弹性箔片结构都为非刚性体，较难进行数学建模。而它在工作时摩擦产生的热变形以及阻尼等也使得准确建立它的数学模型和受力模型比较困难。目前波箔型空气轴承的研究难点主要集中于气膜压力引起的弹性变形与 Reynolds 方程之间的流固耦合的相关问题上。 本章对波箔径向轴承中的箔片结构的建模方法进行了阐述。对于顶层平箔片，分别介绍一位梁模型和二维板模型的建模方法。分别采用最小势能法和伽辽金法推导单元刚度矩阵。对于波箔片，分析波纹单元的形状特点，通过多个直梁单元固接进行近似建模，重点分析端点的滑移状态与受力状态。计算其变形和刚度，并与文献中的经典理论模型结果进行比对。
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2.2  径向轴承工作原理 
如图 2-1 所示为第一代径向波箔气体动压轴承的结构简图。平箔与波箔搭接，一段固定于轴承套内壁，另一端不进行约束，箔片段与轴承内圈表面接触。平箔片表面产生动压气膜，它与转子之间的气膜厚度决定了气膜压力，而平箔片表面质量、摩擦力对轴承启停瞬间的磨损有着较大的影响。 当转子开始高速转动时，转子在轴承内孔中靠静摩擦力滚动，滚动到一定高度转子与轴套分离，由于转子半径小于轴承套内孔半径，转子与平箔表面产生偏心距，中间形成收敛型间隙，产生动压气膜。按照 Reynolds 方程的阐述条件，气膜压力的产生需要以下几个条件：（1）相对运动表面要形成收敛楔形间隙；（2）两楔形间隙中存在着具有粘性的流体；（3）在相对运动的固体表面的带动下，粘性流体从楔形间隙的大端进入，小段流出。 如图 2-1 所示，轴颈在载荷压力的作用下发生偏心位移，因此其与轴承套内圈表面形成了收敛性间隙。随着轴颈的旋转（图中为逆时针），轴颈表面的粘性束缚表面空气，使之沿线速度方向运动，如图 2-2 所示，气体进入收敛空间产生了动压气膜压力。随着转速提高，气膜压力也逐渐增加，直至压力能够使轴颈与轴承壳内壁完全分离。 
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第 3 章  径向波箔轴承静特性的分析......... 30 
3.1  引言 ....... 30 
3.2  压力方程与气膜间隙分布的推导 .... 30 
3.3  求解 Reynolds 方程 ......... 33
3.4  本章小结 ........ 42 
第 4 章  波箔止推轴承静态特性的计算与仿真........... 44 
4.1  引言 ....... 44 
4.2  止推轴承气体润滑方程的推导 ........ 44
4.3  波箔型止推轴承静态特性分析 ........ 51 
4.3.1  计算程序验证分析 ........... 51 
4.3.2  轴承静态特性分析 ........... 52 
4.4  本章小结 ........ 57 
第 5 章  轴承测试实验平台的搭建及轴承特性实验研究.... 58 
5.1  引言 ....... 58 
5.2  轴承测试试验平台的搭建 ....... 58 
5.3  径向轴承加工方法的探究 ....... 59 
5.3.1  主要零件的结构设计 ....... 59 
5.3.2  箔片的成型方法 ...... 60 
5.3.3  箔片的热处理办法 ........... 62 
5.3.4  径向波箔轴承的装配 ....... 63 
5.4  径向轴承静态特性实验结果 ............ 64 
5.5  止推轴承静态特性实验结果与分析 ......... 65 
5.6  本章小结 ........ 68   

第5章 轴承测试实验平台的搭建及轴承特性实验研究

5.1  引言
为了验证前文对于径向轴承与止推轴承的理论分析的正确性与可靠性，需要对径向轴承和止推轴承进行进一步的实验研究。首先要搭建用于测量两类轴承的实验平台，选取合适的电主轴与相应的测量系统。对径向波箔轴承的加工工艺展开研究，设计轴承套、波箔模具、中心套筒等关键零件。在实验室已有对于止推轴承实验研究的基础上，继续探究出口气膜厚度、箔片厚度以及镀层对轴承性能的影响，并与第 4 章结论进行对比验证。

5.2  轴承测试试验平台的搭建

图 5-1 所示为轴承测试实验平台系统示意图，实验平台由高速电主轴、控制系统、空气压缩机、冷水机、测量系统五部分组成。其中高速电主轴来自于企业制造的专业气浮主轴，实物如图 5-4 所示，，转速最高可以达到 12 万  rpm。图 5-2  a）和图 5-2 b）分别为径向轴承和止推轴承测试实验平台，对于两种轴承，其沿着载荷方向的位移由高精度球杆仪来测量，摩擦力矩采用高精密天平通过传力杆来间接测量。径向轴承实验载荷通过钢丝悬挂重物来施加，止推轴承载荷通过采用螺旋推力计在静压气浮轴承伸出端处施加。 

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结   论

尽管近年来箔片气体动压轴承技术在我国取得了快速发展，并且国内，部分产品已经成功被开发出来并应用到工程中，但是无论其应用的广度还是对轴承技术研究的深度尚与国外有差距。本文针对箔片轴承中的波箔型径向轴承和止推轴承分别展开研究。分别建立两种轴承的气体 Reynolds 方程和箔片变形方程，计算了轴承相关的静态特性，得到轴承的静态参数。在实验方面，设计并加工径向轴承的各部分零件，探讨箔片结构的成型与热处理工艺；对止推轴承更改关键参数，加工出了一系列具有不同参数特性的轴承。 主要结论如下： 
（1）基于欧拉梁模型，建立了考虑库伦摩擦力的波箔变形力学模型，设计了判断摩擦力状态的算法。通过对波箔结构加载计算发现：波箔结构的刚度随着载荷形式、大小的变化而变化，在靠近固定端一侧，波箔滑移趋势较小，静摩擦状态的几率较大；随着摩擦系数的增加，波纹单元滑移条件更不易满足，刚度越大。 
（2）完成了径向波箔轴承的气弹耦合计算，在传统气弹耦合计算的基础上，将考虑库伦摩擦效应的模型融入到耦合计算中，得到了相关的静态特性：由于波箔结构对箔片整体刚度的贡献，气膜厚度的变化随着波箔刚度增大而减小；气弹耦合承载力计算值要小于刚性动压轴承；与线弹簧模型对比，本模型的承载特性结论与文献实验数据误差更小，因此更加可靠准确； 
（3）推导止推轴承的静态特性方程和计算流程，得到了节距比、气膜厚度、箔片刚度对止推轴承静特性的影响规律，发现：节距比对承载力的影响存在最优值；出口气膜厚度提高会削弱高压气膜，降低承载力，而入口气膜厚度对承载力存在最优值；波箔支撑刚度能够降低箔片变形，提高承载力，但是过高刚度会降低轴承的阻尼和稳定性.
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参考文献(略)

本文编号：42766