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。     

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。     

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。     

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．     

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。     

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。     

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.     

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．     

箔片非线性结构刚度对转子瞬态冲击的影响

弹性箔片轴承支承的转子在高速旋转时,转子可能会和轴承发生碰摩。为了揭示当转子采用不同结构刚度箔片支承时,该冲击对转子振动的影响机理,针对2个径向GFBs支承的刚性转子系统模型,应用龙格库塔法求解转子动力学状态方程,获得3种结构刚度箔片(均匀刚度箔片、软箔片、硬箔片)下的轴颈位移。推导出箔片轴承的等效刚度和等效阻尼系数,发现当轴颈无涡动时,箔片轴承的等效刚度正好是气膜刚度和箔片结构刚度的串联;而当轴颈有涡动时,箔片轴承的等效刚度和等效阻尼均是结构刚度、结构阻尼和涡动频率的函数,且当轴颈涡动频率趋于无穷大时,上述等效刚度和等效阻尼趋于无涡动时的值。计算表明,当采用恒定刚度箔片时,转子稳态振幅最小,但是瞬态响应时间较长;当采用非线性软箔片时,转子稳态振幅最大,但是瞬态响应时间最短。当增大非线性箔片的结构刚度时,转子稳态振幅会减小,瞬态响应时间会增加。因此,箔片的设计需要辅以轴承-转子动力学特性的考量,以获得箔片结构刚度和结构阻尼的合理匹配。     

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。