气体轴承的动态特性分析及实验研究

针对气体静压主轴回转误差求解不准确的问题,提出了一种利用气膜阻尼模型预测气体轴承动态特性的计算方法,揭示了气膜阻尼影响气体轴承动态特性的内在机制。首先通过微扰动法和分离变量法对气体轴承的气膜阻尼系数建模并求解分析;然后将气膜阻尼系数引入轴承转子系统进行动力学建模,计算分析阻尼系数对气体轴承动态特性的影响;最后搭建气体轴承回转误差测量试验台,得到主轴实时回转跳动误差信号并与理论结果进行对比。实验结果表明:与未考虑气膜阻尼特性的回转跳动误差相比,考虑气膜阻尼特性计算的主轴回转跳动误差值更加接近实验测量值,考虑气膜阻尼特性使主轴跳动误差率减小了4.93%～8%。研究结果可为气体轴承动态特性的预测和精度控制提供理论参考。     

轴颈圆度误差对滑动轴承润滑性能的影响研究

分析了椭圆和齿形两种轴颈圆度误差对滑动轴承润滑性能的影响机理,推导了考虑轴颈圆度误差时的油膜厚度公式;针对某滑动轴承,分析了不同轴颈圆度误差与轴承油膜厚度、油膜压力、摩擦功耗、端泄流量和轴心轨迹之间的关系.结果表明,两种圆度误差都明显导致滑动轴承的润滑性能下降;椭圆误差改变滑动轴承的油膜承载区面积,部分时间可能改善轴承的润滑性能;齿形误差引起滑动轴承周期性的油膜波动,使油膜压力呈多峰分布.     

新型三瓣式径向气体箔片动压轴承热特性分析

为研究新型三瓣式径向气体箔片动压轴承的温度特性，提出了考虑热特性的润滑理论计算模型. 通过耦合求解非等温Reynolds方程和气膜能量方程，并计入转子的离心效应和热膨胀量对轴承间隙的影响，运用数值模拟的方法求解出轴承内气膜温度分布，研究轴承载荷、转速和冷却气流量等因素对轴承温度的影响. 计算结果表明：气膜温度峰值位于压力峰值的下游位置；气膜温度随轴承载荷和转子转速的增加而递增，相较于转速对气膜温度的影响，轴承载荷的影响并不明显；往轴承箔片结构内通入冷却气流可以起到明显的降温效果，且轴承温度随冷却气流的上升先迅速下降后逐渐平缓.     

微小型涡轮发动机圆锥气体静压轴承的特性研究

对用于微小型涡轮发动机的圆锥气体静压轴承的特性开展了理论及实验研究.设计了圆锥气体静压轴承的结构型式,提出了圆锥气体静压轴承的润滑模型及其数值解法,获得了圆锥气体轴承承载力和气体质量流量性能,考察了气膜厚度、供气压力和节流孔数目对轴承性能的影响.建立了圆锥气体轴承测试平台,获得了轴承的质量流量-供气压力曲线,为理论模型的验证提供了实验手段.结果表明,增加供气压力和节流孔数目可提高承载力和气体质量流量;圆锥轴承测试结果与理论结果趋势一致,数据吻合.      

新型空气静压推力轴承承载能力的实验研究

用弹性薄板实现的可变均压槽与固定均压槽结合应用的新型空气静压推力轴承具有高刚度的优点,本文运用空气静压推力轴承性能测试试验台测试空气推力轴承的气膜间隙,气膜压力分布,承载能力。对新型气体静压推力轴承的承载能力进行了实验研究和分析,结论证明该新型气体静压推力轴承的计方案能够提高轴承的承载能力。     

气体动静压径向轴承试验台研制及实现

在对测试模块、加载模块、结构方案、传感器选用等方面进行分析的基础上,采用DWS超精密(纳米级)振动位移测量仪和自动数据采集技术,研制了新型气体动、静压径向轴承性能测试实验台。该实验台可自动测试轴承间隙内周向内压力分布、承载力、气膜厚度、主轴转速和流量等参数。对被测轴承动态特性的检测表明,该实验台可以较准确地检测出轴承回转过程中轴心的扰动情况。     

箔片动压止推气体轴承流固耦合数值模拟

针对鼓泡弹性箔片动压止推气体轴承的结构,在假设内部流体为层流、沿气膜厚度方向压力不变、忽略流体体积力和惯性力的基础上,建立了可压缩性流体Reynolds方程;采用有限差分法,在考虑流场为等温过程的条件下,对Reynolds方程进行了数值求解,得出轴承内部的压力分布。充分考虑鼓泡结构在压力作用下的弯曲变形,采用双向流固耦合模型,分析了顶层箔片的变形与压力场之间的相互作用,结合薄板弯曲模型得出的轴承顶层箔片的变形和气膜间隙分布,分析了轴承数、箔片结构对轴承性能的影响。研究结果表明:支承结构位置不当会直接影响气膜压力的分布,造成承载能力下降;提高轴承数、增大进出口气膜间隙比和轴承内外径之比,可以提高轴承的承载性能;节距比为0.5时承载性能最佳。该结果可为鼓泡弹性箔片动压止推气体轴承的结构设计提供参考。     

准气体动力循环Power MEMS气体静压轴承

为追求微细尺度条件下超高能量密度的目标,提出了Power MEMS准气体动力循环发动机的概念.鉴于Power MEMS准气体动力循环发动机能够自行提供高压气源的结构特征以及气体静压轴承在性能上的优点,提出了将气体静压轴承应用于该Power MEMS发动机的研究和Power MEMS准气体动力循环发动机中气体静压径向轴承和止推轴承的结构形式的选择,指出了微细尺度下气体静压轴承的设计要点;运用气体静压润滑的基本原理对气体轴承的结构及运行参数进行了分析,获取了径向轴承和止推轴承的参数设计;通过气体轴承静态性能的计算,从承载能力方面验证了将所设计的气体轴承应用于Power MEMS准气体动力循环发动机中的可行性.     

高压圆盘气体轴承可压缩边界层形态分析

高压圆盘气体轴承中气流速度高、雷诺数大,气膜内边界层的发展形态对主流和轴承承载力的影响不可忽视。在数值计算方法可行性验证的基础上,采用γ-Reθ转捩模型对具有双对称收缩段结构的高压圆盘气体轴承气膜内的流场进行数值求解,分析气膜间隙、供气压力及轴承半径对气膜边界层的影响。结果表明,减小气膜间隙、降低供气压力、增大轴承半径,均可促进气膜边界层的发展;边界层完全发展后,主流被边界层淹没,边界层内的黏性力作用于气流,气流速度下降,使气膜内的压力维持在较高水平,从而提高了气体轴承的承载能力。根据数值计算结果确定了高压圆盘气体轴承实验模型的工作参数。     

多孔质气体静压轴承在三轴转台设计中的应用

气体静压轴承广泛应用于航空、航天、精密电子工业中。三轴转台是高精度的测试设备，用来对惯性系统和惯性元件进行检定、标定以及建立相应的误差模型，它的测试精度直接影响航空、航天等飞行器的控制和导航。转台的检测精度与回转轴的回转精度有密切关系。多孔质气体静压轴承同其他节流形式的轴承相比具有很高的承载能力、静态刚度以及很好的阻尼效应。文章对多孔质气体静压轴承进行了理论分析，并同气体静压小孔节流轴承的静态性能进行了比较，结果表明，此类轴承的承载能力明显优于小孔节流轴承。     

多孔质石墨静压气体推力轴承静态特性

为了研究多孔质石墨静压气体推力轴承的静态特性,建立了相对应的理论计算模型.基于该模型分析了多孔质石墨密度、表面限制层、供气压力以及气体质量流量等因素对多孔质石墨静压气体推力轴承静态特性的影响.理论计算结果表明,轴承承载力与石墨密度成负相关、与供气压力成正相关,并在有表面限制层时较大;气体质量流量与石墨密度成负相关、与供气压力成正相关,并在有表面限制层时较大;轴承的刚度与石墨密度、供气压力成正相关,并在有表面限制层时较大.进一步设计实验台,绘制出多孔质石墨静压气体推力轴承的气膜厚度与承载力的静态特性曲线图.对比发现,实验结果与理论结果吻合较好,从而验证了数值计算方法的可靠性.     

考虑油膜非均匀性的滑靴润滑特性研究

采用倾斜姿态描述法将滑靴的倾斜引入分析;利用表面形貌仪对实际磨合后的滑靴进行底面轮廓形貌测量,获得了磨损后滑靴密封带表面的概约轮廓,从而建立了滑靴非均匀间隙油膜厚度描述模型,对滑靴油膜压力控制方程以及流量守恒方程进行联合求解,从而获得了滑靴底面的压力分布. 由此对非均匀间隙下的滑靴油膜压力、承载、泄漏等基本润滑特性进行研究,发现表面微观磨损轮廓对其承载特性有重要影响,有助于保持稳定性;滑靴倾斜方位对润滑特性有显著影响,在实际分析中需要加以考虑.      

Simulation and experiment of starting transient flow field of the hydrostatic bearing based on dynamic mesh method

A new method is developed to assess and analyze the dynamic performance of hydrostatic bear-ing oil film by using an amulets-layer dynamic mesh technique.It is implemented using C Language to compile the UDF program of a single oil film of the hydrostatic bearing.The effects of key lubrica-tion parameters of the hydrostatic bearing are evaluated and analyzed under various working condi-tions, i.e.under no-load, a load of 40t, a full load of 160t, and the rotation speed of 1r/min, 2r/min, 4r/min, 8r/min, 16r/min, 32r/min.The transient data of oil film bearing capacity under different load and rotation speed are acquired for a total of 18 working conditions during the oil film thickness changing.It allows the effective prediction of dynamic performance of large size hydrostatic bearing.Experiments on hydrostatic bearing oil film have been performed and the results were used to define the boundary conditions for the numerical simulations and validate the developed numerical model.The results showed that the oil film thickness became thinner with the increase of the operat-ing time of the hydrostatic bearing, both the oil film rigidity and the oil cavity pressure increased sig-nificantly, and the increase of the bearing capacity was inversely proportional to the cube of the change of the film thickness.Meanwhile, the effect of the load condition on carrying capacity of large size static bearing was more important than the speed condition.The error between the simula-tion value and the experimental value was 4 .25%.     

径向波箔轴承的设计计算和试验研究——(Ⅰ)理论分析

应用圆柱薄壳线性理论给出了波箔单波刚度的计算公式;由弹性体变形理论导出了波箔总刚度的计算公式;根据弹性流体动力润滑的概念,获得了适用于波箔轴承的总体雷诺方程;设定了波箔轴承的边界条件。文中还应用有限差分法对几种不同参数的径向波箔轴承进行了静态性能的计算,得到了压力分布、承载能力、偏位角和摩擦力矩的变化曲线。理论计算与试验结果基本相符。     

平面静压气浮轴承垂直微冲击的稳定性

为研究垂直微冲击引起的平面静压气浮轴承稳定性问题,利用线性摄动法,建立由稳态Reynolds方程、扰动Reynolds方程和轴承运动方程组成的微扰动分析模型,利用COMSOLMULTIPHYSICS软件中的PDE模块,获得了平面静压气浮轴承受到垂直微冲击后气膜内压强和气膜厚度随时间的变化过程。仿真试验表明:轴承的振动频率和阻尼系数与垂直微冲击的强弱无关,与气膜厚度和供气压强有关。轴承振动频率在不同冲击下,都约为200Hz。随供气压强增大,轴承阻尼系数减小。气膜厚度保持5μm时,供气压强小于0.8MPa时阻尼系数大于0,轴承稳定状态,供气压强等于0.8MPa时阻尼系数为0,轴承临界状态,供气压强大于0.8MPa时阻尼系数小于0,轴承不稳定状态。     

考虑热效应的轴颈倾斜轴承润滑分析

文章考虑了润滑油粘温效应的影响,分析了稳态下倾斜轴颈径向滑动轴承的流体动力润滑特性.采用有限差分法求解Reynolds方程,用热平衡方程计算润滑油温升;在是否考虑温度影响的2种情况下,计算了不同轴承偏心率、轴颈倾斜方位和轴颈倾斜角时轴承的油膜压力、油膜反力、端泄流量、温度的变化、轴颈摩擦系数和保持轴承稳定工作的力矩.分析结果表明,轴颈倾斜和润滑油粘温效应对滑动轴承流体动力润滑特性有较大影响.     

新型变径毛细管节流器开式液青争压导轨静动态性能分析与试验研究

本文介绍一种新型变径定长毛细管节流器。它具有结构简单,装配容易,工作可靠和造价低廉的优点。这种节流器的节流直径能与油腔压力成比例的改变,因此,它可控制静压开式轨的油膜厚度近于不变。本文重点讨论了新型节流器的主要参数,静压导轨系统的静、动态特性,元件制造误差的影响及其补偿措施。并在专用试验台上对其静动态性能进行了试验。试验结果与理论分析相近。     

滑移边界下气膜厚度阶跃变化的阶形板间气体流动

为进一步研究微尺度下气膜厚度阶跃变化的阶形板间气体流动的相关物理特性,通过代入适用于任意克努森数的新滑移边界条件修正雷诺方程,应用有限体积法迭代求解了阶形板间沿气体流动方向的气膜压力和克努森数分布曲线,沿高度方向的气体流动速度分布曲线,不同环境克努森数下的气膜承载力随速度参数的变化曲线。结果表明:随着气膜间克努森数进入滑流区时,边界速度滑移效应对流体流动特性作用明显,当气膜间克努森数进入过渡区时,一阶滑移与新滑移边界条件间的数值结果产生明显偏差。可知相对于滑移系数固定的一阶滑移边界条件,滑移系数随气膜间克努森数改变而变化的新滑移边界条件,可以更好地描述高度存在阶跃变化即气膜间克努森数跨区域分布的微尺度气体流动。