静压气体球轴承承载力的三维计算方法

为研究环面节流静压气体球轴承的承载力特性,提出一种基于三维模型的计算方法.应用非结构同位网格技术对轴承进行网格划分,采用有限体积法对三维稳态可压缩N-S方程进行离散,将适用于可压缩流体的改进的SIMPLE算法应用于离散方程的求解.实验表明,该方法的计算结果与二维有限元法计算结果及实验数据相符,证明算法是有效的.     

新型静压气体球轴承的超声速现象研究

针对静压气体球轴承的供气孔附近产生超声速区而导致气膜内的压力急剧降低,从而影响轴承承载性能的问题,提出一种基于计算流体动力学(CFD)、可压缩气体三维湍流全N-S方程的数值解法.在N-S方程中,气体动力黏度为温度的函数,保留了对高速气体流动有重要惯性影响的对流项.将可实现的k-ε湍流模型引入到一种新型静压气体球轴承的数...     

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。     

环形孔式节流器设计参数对空气静压轴承承载力和刚度的影响

采用数值解析法分析了环形孔节流器设计参数对空气静压轴承承载力和刚度的影响.仿真结果表明:气膜承载力随承载面直径、节流孔直径和进气压力的增大而增大;气膜刚度随承载面直径和进气压力的增大而增大,随节流孔直径的增大而减小;气膜刚度随气膜厚度增加时呈现出先增大后减小变化规律,在中间某一气膜厚度出现最大值.数值分析结果将为空气静压轴承节流器数量、排列组合方式、单个节流器设计参数合理选取提供理论参数.     

气体动压径向轴承气膜压力分布数值模拟

以动压径向气体轴承为研究对象,采用有限差分法(FEM)离散求解非线性的、稳态的可压缩雷诺方程,用MATLAB软件编写了计算程序,用逐次超松弛迭代法(SOR)进行数值求解,得出空气轴承的气膜压力和气膜厚度分布。在此基础上,分别以气体轴承的半径间隙、工作转速、宽径比、偏心率等参数为影响因子,研究气体轴承的最大气膜压力随影响因子的变化关系。     

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。     

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。     

不规则区域中可压缩流动的数值模拟

将不可压缩流动的SIMPLE算法推广到可压缩流动的计算中。将二维直角坐标系和轴对称坐标系下的可压缩流动的控制方程用统一的方程式表达,在贴体网格中利用有限体积法进行离散,编制了通用的求解程序。对带有凸包的通道可压缩流动和轴对称坐标系下的马赫反射问题进行了数值模拟,得到的结果与相关文献中的结果吻合,表明了所提算法的正确有效性。     

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.     

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。     

二维无旋超音速扩散对称流动控制方程及其特征线方程和相容性方程

通过改变止推气体轴承等间隙的流道结构,对变气膜厚度圆盘止推气体轴承中二维无旋超音速扩散对称流动控制方程进行推导,得出其特征线方程和相容性方程,对所得特征线方程和相容性方程用等间隙气膜内一维超音速流动的解析解进行验算.结果表明,当内点间距合适时,特征线法数值求解与解析解结果十分接近,推导的特征线方程和相容性方程正确.     

电主轴角接触球轴承摩擦学和动力学耦合分析

基于弹性流体动力润滑理论和动力学理论,对角接触球轴承(主轴轴承)进行摩擦学特性和动力学特性耦合研究.在Ansys软件中建立考虑主轴轴承摩擦学特性的动力学仿真模型,利用有限差分法求解弹流润滑的Reyn-olds方程和弹性方程,求解轴承油膜反力,在Ansys中进行动力学仿真,输出轴承零件各种运动参数特性曲线.研究表明,速度是影响主轴轴承内部弹流油膜的重要因素,在相同的预载荷、接触角等工况条件下,陶瓷角接触球轴承的内圈油膜厚度随转速增大先增大后逐渐减小,外圈油膜厚度随转速增大开始变化不明显,随后明显减小.     

雷诺气体润滑方程的适用范围

就前人对可压缩雷诺方程基本假设适用范围的研究结果进行了归纳,指出常规亚音速气体轴承在正常的工作气膜间隙下,雷诺方程的基本假设是成立的.但供气孔、节流气腔以及气膜中可能出现的边界层发展区、超音速区的气体流动则并不满足雷诺方程.     

基于轴承动刚度的电主轴动态特性影响因素分析

目的研究不同条件下角接触轴承动刚度对电主轴动态特性的影响,为优化主轴动态特性提供理论支持.方法基于拟动力学研究方法求解角接触轴承动态性能,建立电主轴转子系统有限元模型分析不同轴承滚珠材料和预紧力对轴承动刚度及电主轴动态特性的影响.结果钢球轴承刚度小于陶瓷球轴承,且随着转速提高,钢球轴承刚度下降较快;装配陶瓷球轴承电主轴一阶固有频率较高,工作端位移较小;随着预紧力提高,角接触轴承刚度软化效应减弱,主轴固有频率增大,轴端位移减小.结论改用陶瓷滚珠或者适当提高预紧力都能有效改善轴承动力学特性,提高电主轴固有频率,使得主轴动态特性得到优化.     

温度影响的轴承动态预紧耦合降维方法

机床主轴承预紧状态随运行工况动态变化,但预紧力与轴承动力学特性非线性相关,根据轴承动态特性变化对预紧力实施动态优化是提高球轴承综合性能的关键.为提高主轴轴承综合性能,提出一种新的预紧力优化准则.构建了温度影响的球轴承动力学模型,分析变转速、变预紧力和变温升综合影响的球轴承动力学特性变化规律,采用主成分分析法对预紧力与轴承动态指标间的耦合关系实施动态降维优化.MATLAB仿真结果表明,在恒速和温升状态下轴承动态预紧状态与滚动体-内滚道接触载荷关系密切,其贡献率高达95.8％,该方法为球轴承动态预紧优化提供重要理论依据.     

温度影响下箔片动压止推轴承分析

为了探讨高温、高转速透平机械中影响箔片轴承性能的温度及气膜压力场分布等因素,对以弹性支撑结构刚度为常数的箔片动压止推轴承建立了雷诺方程和能量方程,并对轴承内部的气流速度进行了分析;通过将气膜的温度、压力以及箔片的变形进行流固热多场耦合,采用有限差分法进行数值计算,得出了内部气膜温度和压力分布,由此分析了轴承结构刚度和轴承数的变化,以及气膜压力、温度和承载力的变化趋势。研究结果表明:支撑结构刚度增大,轴承间气膜的平均压力减小,平均温度上升;轴承数增大,气膜的平均压力和温度升高。设计气体轴承时弹性支承结构的刚度与转子的转速应予以考虑。     

高精度中心-WENO混合格式在可压缩各向同性湍流大涡模拟中的应用

为提高可压缩湍流大涡模拟的格式精度和分辨率,通过引入当地压力脉动的感应因子和格式加权函数的取值界限,发展了一种数值耗散自适应可控的近似6阶中心-WENO(加权本质无振荡)混合格式,采用傅里叶法对离散格式数学特性进行了理论分析,并对一维激波/密度脉动干涉问题和三维可压缩各向同性湍流大涡模拟问题进行了计算。结果表明:近似6阶中心-WENO混合格式相比于5阶-WENO格式具有更小的耗散误差,且对激波和物理脉动均具有较高的分辨率;基于所发展的中心-WENO混合格式的大涡模拟计算结果与已有的直接数值模拟结果符合较好,且能够成功捕捉-5/3幂律能谱特性曲线;该格式标定了适合于可压缩流动大涡模拟的格式加权函数界限数值,为流体机械内部可压缩湍流的高精度大涡模拟研究奠定了算法基础。     

预紧对高速角接触球轴承疲劳寿命的影响

基于Hertz弹性接触理论、滚动轴承动力学和L-P寿命理论,建立角接触球轴承的动力学方程,采用Newton-Raphson迭代法进行求解.分析预紧力对角接触球轴承疲劳寿命的影响,结果表明:当外界条件一定时,定压预紧轴承疲劳寿命明显比定位预紧轴承疲劳寿命长,轴承内圈疲劳寿命比外圈疲劳寿命长;轴承疲劳寿命随着预紧力、转速的提高而减小,在定压预紧下轴承的疲劳寿命受预紧力的影响较大.     

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。     

支承在波形箔带上的弹性圆壳动压气体轴承

本文提出圆柱面接触有助于气楔承载的原理,由此提出了与轴颈之间无间隙的弹性圆壳波箔轴承,认为它有许多优点,如承载能力高、起飞速度低、抗冲击能力强和减少箔带规格等等。大量的试验结果证实了这种论断。文中并提出相当半径间隙的概念用测试和计算相结合的方法探索气膜压力的近似分布规律。