波箔箔片动压气体轴承的实验研究

为满足透平机械高速可靠运转的需求,设计了一种波箔型箔片轴承,其基本结构由柔性平箔和支承平箔的弹性波箔组成。在气体轴承-高速低温透平膨胀机实验台上对波箔箔片动压气体轴承进行了实验,实验中采用压缩空气驱动透平转子,以功率75kW的阿特拉斯螺杆压缩机作为供气源,从而获得了0.1~1.15MPa、标准工况下最高流量为600m3/h的压缩空气。将波箔厚度为0.05mm及0.07mm的2种箔片动压气体径向轴承,应用于主轴Φ25mm的标准工况下150m3/h制氧机用高速透平膨胀机,研究了箔片支承高速透平转子的振动特性及稳定性。实验结果表明:波箔弹性元件的刚度是轴承性能的重要影响因素之一,0.05mm波箔刚度小,柔性变形裕度较大,可以抑制转子不稳定涡动,透平膨胀机转子最高转速达93 366r/min;0.07mm波箔刚度较大,柔性变形裕度相对较小,当最高转速达到93 161r/min时转子出现涡动。2种波箔厚度的轴承最高转速达到9.3万r/min时转子的最大振幅均小于20μm,波箔轴承表现出了良好的刚度和阻尼特性,可有效抑制Φ25mm的高速透平膨胀机转子的涡动。     

多层弹性支承箔片动压气体径向轴承稳定性的实验研究

为了保证轴承支承高速转子的稳定运行,提出了一种具有多层弹性支承结构的新型箔片动压气体轴承。该轴承采用两层或多层具有鼓泡状凸起阵列的金属箔片作为弹性支承结构,通过调整鼓泡阵列的周向和轴向截距或调整上下层弹性箔片布置,可以实现轴承支承刚度特性和阻尼特性的调节。在直径为25mm主轴的高速(10万r/min)透平膨胀机上,实验研究了这种箔片轴承支承高速转子的运转特性,详细分析了3种典型排列方式下转速与压力的关系,以及高速转子升速及降速特性。结果表明:采用不同的多层结构排列方式,可以有效调整和改善弹性箔片轴承支承高速透平转子的刚度和阻尼特性,抑制高速转子的不稳定涡动;多层弹性箔片轴承能够产生多重刚度及多重阻尼,从而改进了传统箔片轴承刚度和阻尼的影响,改善了弹性箔片动压气体轴承的稳定性和可靠性。     

多层鼓泡弹性支承箔片动压气体轴承的实验研究

在单层鼓泡箔片动压气体轴承的基础上,提出了多层鼓泡箔片轴承的新型结构.该种新型结构可以通过合理选择上下层鼓泡箔片上鼓泡的结构参数和相对位置,产生不同的刚度和阻尼效果.该种轴承结构弹性支承元件的轴向和周向刚度可调,且具有良好的结构阻尼特性;同时多层鼓泡箔片之间的滑移能够产生附加库仑阻尼,因此提高了轴承的稳定性.实验中透平膨胀机采用25mm直径的转子时最高转速达到了99044r/min.在整个升速和降速过程中低频涡动均较小,验证了此种新型箔片轴承具有优异的抑制不稳定涡动的效果,有望应用在高速透平机械中.     

掌上透平弹性箔片动压气体轴承的试验研究

为了满足微小型高速透平稳定、可靠运转的要求,设计研制了一种以精密机加工制作为目的的微小型箔片气体轴承,提出了以弹性鼓泡支承的新型波箔结构,其中箔片元件由表面光滑的平箔和半球型鼓泡突起体的弹性底箔组成,鼓泡箔片可采用单层鼓泡或多层鼓泡,多层鼓泡的第一层鼓泡在第二层鼓泡的跨距中央。在一台主轴轴径为6mm的掌上高速透平上首次进行了振动特性及稳定性试验,结果表明:新型鼓泡箔片轴承具有良好的阻尼特性,对转子不稳定涡动的抑制能力较强;鼓泡自身变形具有调节刚度和阻尼的特点;在全动压条件下,试验透平稳定运转达到近36万r/min。     

推力空气箔片轴承新型结构构建及其动力学性能

提出一种新型推力箔片轴承，该轴承的优点是通过波箔和平箔的组合来改变箔片轴承的轴向刚度等动态特性。以新型推力箔片轴承为对象，运用弹性力学理论分析推力箔片轴承顶箔和波箔的变形，联立黏温方程、气膜三维能量方程和等温Reynolds方程得到非等温Reynolds方程。利用小扰动法处理非等温Reynolds方程得到气膜压力的定常控制方程和微分控制方程。运用有限差分法和逐点松弛迭代法对其进行数值求解得到推力箔片轴承的气膜压力分布、气膜厚度分布、箔片变形量分布、气膜温度分布、轴向刚度、轴向阻尼等特性参数。结果表明，箔片轴承的轴向刚度和轴向阻尼随着波拱半长、楔形间隙高度差、波拱半径的增加而减小；轴向刚度和轴向阻尼随着涡动频率比、转速、波箔厚度、顶箔厚度、轴承外径的增加而增大。     

新型弹性箔片动压气体止推轴承的试验研究

对新开发的一种弹性支承箔片动压气体止推轴承进行了理论分析和数值计算，并在多功能气体轴承试验台上对轴承的稳定性、承载力、振动特性和启停性能等进行了深入的试验研究．在轴承的弹性材料厚度为0．25mm、箔片厚度为0．07mm、节距比为0．7、转速为108398r／min时，试验获得了25．9N的最高轴向承载力．试验结果表明：复合弹性支承材料具有良好的阻尼特性，能有效地抑制转子的振动和限制涡动振幅的增加；金属箔片的柔性表面刚度均匀，能有效地降低转子及轴承表面的损伤；新型弹性箔片动压气体止推轴承具有良好的稳定性、运转性能和启停性能，具有很好的发展潜力和实用前景．     

箔片轴承结构阻尼的评价

为了更好地研究箔片轴承的动特性和稳定性，得出与实验结果相符合的评价方法，首先对国内外几种有关箔片轴承库仑阻尼的研究方法进行了比较，根据阻尼和刚度分离评估的思想，考虑箔片之间和箔片单元之间的相互作用，基于能量耗散的思想提出了一种有效的箔片轴承阻尼评估方法，最后对双层同向自由平箔结构箔片轴承的结构阻尼进行了详细分析和数值比较．结果表明：就结构参数而言，在小偏心率时，结构阻尼对稳定性和动态参数的影响较大；在大偏心率时，其影响则相对不明显．     

鼓泡箔片动压气体径向轴承库仑阻尼耗散的数值分析

为了更好地研究箔片轴承的动态特性和稳定性,提高高速透平机械中轴承转子的系统稳定性,采用能量耗散的方法对单层和双层鼓泡箔片轴承的库仑阻尼耗散能量进行了分析与评价,获得了箔片厚度、周向和轴向鼓泡支承点间距等结构参数以及弹性模量对库仑阻尼耗散能量的影响。数值研究结果表明:随着箔片厚度的减小,周向鼓泡间距减小,库仑阻尼耗散能量增加;轴向鼓泡支承点密度增大以及偏心率和转速的升高也会加强库仑阻尼耗散;在相同工况下,双层鼓泡箔片轴承的库仑阻尼耗散明显大于单层鼓泡箔片轴承,且改变双层鼓泡箔片轴承中层鼓泡箔片厚度耗散能量效果优于改变顶层平箔厚度;高弹性模量材料的硬度高,箔片滑移量小,会减小库仑阻尼耗散能量;相同条件下,鼓泡箔片轴承选用高弹性模量材料时库仑阻尼耗散能量更小。     

转子——非线性弹性支承系统的瞬态响应

研究非线性刚度支承对转子系统的启动、停车等瞬态过程中通过共振区的影响,支承刚度具有硬式非线性特性时,会提高转子系统的临界转速和瞬态过程的最大振幅,不利于转子快速通过其振区。还定量研究了启动、制动加速度对转子系统瞬态过程最大振幅的影响。并对具有慢变刚度的非线性支承对转子系统过共振状态的影响进行了分析。     

库伦摩擦对波箔气体轴承特性的影响

为了深入了解库伦摩擦对波箔气体轴承特性的影响,考虑了波箔片与平箔片间摩擦力以及波箔片与轴承座间摩擦力,通过有限元梁单元模型计算波箔轴承单个波拱的位移,采用能量耗散的方法对波箔轴承的刚度和阻尼特性进行了评价,分析了载荷基准值和载荷波动幅值以及摩擦因数对库伦阻尼耗散能量以及箔片刚度特性的影响规律。研究结果表明：随着载荷基准值和载荷波动幅值增大,库伦阻尼耗散能量明显增加,有助于提高轴承运行的稳定性;载荷波动幅值增大,波箔轴承刚度先迅速减小然后逐渐趋于稳定;载荷基准值变化对波箔刚度影响较小,波箔刚度基本不发生变化。载荷由最大值逐渐减小时,波箔拱顶部摩擦力刚开始时仍为滑动摩擦力。进入滞止阶段后,滑动摩擦力逐渐转变为静摩擦力且摩擦力方向逐渐由同向变为反向。箔片轴承设计过程中,应以支撑刚度或阻尼耗散为目标,选择最优的摩擦因数。     

平箔式箔片径向气体轴承的理论研究

分析了平箔式箔片径向轴承的结构刚度和结构阻尼 ,对箔片在气膜发散区脱离弹性基础的情况进行了具体讨论 .求解了箔片轴承静态特性 ,重点讨论了箔片轴承与刚性轴承的不同之处 .     

拱箔成型工艺对箔片轴承性能影响的仿真分析

为研究不同拱箔成型工艺对弹性箔片气体轴承静、动态性能的影响,对理想拱箔及3种不同成型工艺加工出的拱箔支承的箔片轴承进行了静、动态性能的计算,3种工艺重点对比箔片固定方式及加载卸载速度。采用有限元方法,获得了不同成型工艺下拱箔的型线及厚度分布;采用有限差分法,耦合箔片轴承结构变形方程与压力控制方程,通过积分得到了轴承承载力;使用小扰动法计算了箔片轴承刚度系数及阻尼系数。分析结果表明:拱箔的成型工艺会对箔片轴承静、动态性能构成一定影响,相比于理想拱箔,各种拱箔成型工艺均会造成箔片性能的下降;厚度与型线更为均匀的拱箔支承的箔片轴承承载力更高、稳定性更强;在拱箔冷压成型过程中,箔片固定方式对拱箔性能的影响较大,加载及卸载速度对拱箔性能的影响较小;在实际生产过程中,建议的拱箔冷压成型工艺为箔片一端压边固定一端自由,采用适中的加载及卸载速度。     

应用于高速透平膨胀机的箔片动压气体止推轴承的试验研究

针对现有箔片动压气体轴承结构较为复杂、理论分析比较困难,以及难以应用于高速旋转机械等问题,提出了改进的平箔型、黏弹性支承型、鼓泡型等箔片动压气体止推轴承.在高速透平机械气体轴承试验台上,采用透平驱动转子-轴承系统以及静压轴承支承活塞杆施加轴向力等试验方法,对箔片动压气体止推轴承在不同转速下的承载性能进行了试验研究.同时,利用快速傅里叶变换方法,分析轴承-转子系统在空间3个方向的振动信号,对箔片动压气体止推轴承的运转稳定性进行了探讨.试验结果表明:平箔型动压气体止推轴承具有较高的轴向承载力,约为44N,而鼓泡型动压气体止推轴承的性能非常稳定,轴承-转子系统的轴心轨迹十分清晰,轴向振动信号中低频和高频涡动可忽略不计,其振动频率以1倍频为主.     

箔片安装位置对气体轴承性能影响的仿真分析

为研究弹性箔片气体轴承中箔片安装位置对轴承静、动态性能的影响,对具有不同箔片安装位置角的弹性箔片气体轴承进行了静、动态性能的计算。采用有限差分法耦合气体轴承压力控制方程及箔片柔度方程,获得了气膜压力、厚度分布及轴承承载力;基于小扰动法,计算了轴承的动力学系数。结果表明:弹性箔片气体轴承安装箔片时存在一个"敏感"位置区间,会对轴承静、动态性能构成显著影响;在这一区间内,气膜平均气压及承载力显著下降,主刚度系数下降,交叉刚度系数会在数值上接近主刚度系数,严重影响轴承稳定性,阻尼系数变化相对较小;这一"敏感"位置区间在数值上与轴承偏位角形成近似互补关系;在进行弹性箔片气体轴承实际安装操作时,可以先进行360°整周箔片轴承的偏位角计算,将安装狭槽布置在偏位角的对侧,即远离主要承载区位置。     

新型箔片动压止推气体轴承承载特性的试验研究

根据箔片轴承的结构特点,首次提出了一种具有鼓泡弹性支承的箔片轴承新结构,并在止推轴承试验台上对新型鼓泡弹性支承止推气体轴承开展了试验研究,对该轴承的稳定性及承载能力进行了初步测试和分析.与通常具有弹性支承的波箔箔片轴承结构相比较,该新型箔片止推轴承具有结构简单、加工方便的特点.基于弹性力学的考虑,通过改变半球型鼓泡的高度、直径及鼓泡的排列分布等一系列的参数来适应载荷的需要.承载特性的试验研究显示,所开发的止推气体轴承可通过鼓泡自身弹性变形很好地调节刚度和阻尼,并具有较好的稳定性和承载能力.     

弹性箔片轴承的气弹润滑解

通过引入柔性箔片的静、动变形以及联立求解气体润滑Reynolds方程和弹性箔片轴承的静、动变形方程，给出了弹性箔片空气动压轴承的完全气弹润滑耦合解，完全气弹润滑解不仅适用于箔片轴承的静态性能分析，同样也适用于动态刚度和阻尼的计算，从而为弹性箔片空气动压轴承静、动态性能分析和相应转子系统动力学行为预测提供了系统的理论与分析方法．     

悬臂型箔片轴承应用于高速透平的实验研究

为研究悬臂型箔片轴承的实际工作性能及其在高速透平机械中的应用效果,对悬臂型箔片轴承开展了实验研究。首先,在径向轴承性能实验台上进行了悬臂箔片径向轴承的静态加载、启动摩擦力矩和运行阻力矩测试实验,获得了不同箔片厚度和轴承载荷下轴承库仑阻尼和阻力矩的变化趋势。随后,将悬臂箔片径向轴承与止推轴承同时应用在主轴直径为25mm的高速透平机械中,在高速透平机械性能实验台上开展了轴承-转子系统的瞬态升降速与高速稳定运行实验,对全动压悬臂箔片轴承支撑转子的瞬态特性与稳定性进行了分析。实验结果表明:悬臂箔片径向轴承的启动摩擦力矩(0.6×10~(-2)～1.8×10~(-2) N·m)与运行阻力矩(0.25×10~(-2)～0.5×10~(-2) N·m)较小;在全动压悬臂箔片径向轴承和止推轴承支撑下高速透平机械转速能够达到93.9×103 r/min;轴承-转子系统在升降速和高速运行过程中均具有较小的主频振幅(6μm)和低频涡动振幅(0.5μm),轴心轨迹清晰,表现出良好的稳定性。所开展的实验研究验证了悬臂箔片轴承在高速透平机械上应用的可行性。     

嵌入弹簧式气体箔片轴承动态特性实验研究

对嵌入弹簧式气体箔片轴承（NSFBs）的动态特性进行实验研究. 首先,设计搭建了NSFBs动态特性测试平台,分别对NSFBs进行转子静止和旋转（24.00 kr/min）状态下的冲击实验,从冲击实验结果中识别出轴承的动态刚度和等效黏性阻尼系数,并研究了轴承动态系数随弹簧个数的变化规律. 在测试过程中,为保证冲击载荷下不同弹簧数实验轴承的名义间隙相同,将轴承组装后进行静态推拉实验以测量实验轴承的名义间隙,然后根据测试的实际轴承间隙计算敲击实验中转子的直径. 实验结果表明：无论转子旋转还是静止,轴承的直接刚度系数、等效黏性阻尼系数和损耗因子都随着弹簧数量的增加而增加,并且,转子旋转状态下的直接刚度和等效黏性阻尼系数小于转子静止状态下的结果.     

双转子多盘转子系统的动态特性

采用有限元法建立了双转子-轴承系统的动力学模型,计算分析了轴承支承刚度和内外转子的转速比对系统临界转速的影响,并对计算结果的正确性进行了验证.研究发现:各支承位置支承刚度的增大将使系统临界转速逐渐增大,当增大到一定程度时对临界转速的影响并不大,各支承刚度对各阶临界转速的影响程度并不一致;另外,中介轴承对系统临界转速的影响并不大;以内转子为主激励的同步反进动时,系统临界转速随着转速比的升高而降低,正进动临界转速随着转速比的升高而增大;而以外转子为主激励的同步反进动时的临界转速表现出相反的规律.     

滚动轴承非线性因素对转子系统振动特性的影响

针对滚动轴承支承下的转子系统在运行过程中存在的滞后突跳问题,利用嵌入同伦弧长延拓的HB-AFT方法,可以快速计算在滚动轴承支承下转子系统的滞后突跳区间;利用Floquent理论进行稳定性判定,分析轴承等效刚度、轴承游隙与线性阻尼系数对转子系统滞后突跳的影响.结果表明:轴承游隙与轴承等效刚度在一定范围内变化会影响转子系统的滞后突跳区间,而阻尼系数只在转子系统临界转速附近影响系统振动的幅值.研究结果可为轴承-转子系统参数的选取提供理论参考.