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。     

静电悬浮微硅陀螺的空气阻尼特性

为保证静电悬浮微陀螺在工作状态下具有期望的动态特性,需要得到微陀螺六自由度运动的空气阻尼模型。根据流体力学和分子动力学的基本理论,在考虑空气流动状态、温度和气膜可压缩性的基础上,构建了描述微陀螺压膜阻尼特性的Reynolds方程,以及描述滑膜阻尼特性的Couette流模型。将微陀螺表头内部气膜分成了8个区,推导了气膜在大间隙振动、径向摆动和轴向旋转时的气膜阻尼系数。根据微陀螺的结构参数进行气膜阻尼仿真,结果表明:轴向压膜阻尼对微陀螺支承系统的动态特性影响最大,气膜间隙-气膜阻尼系数曲线呈抛物线型,气膜阻尼系数随温度呈线性变化。     

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。     

滑移及黏度对超精密气浮工作台性能影响研究

针对超精密气浮工作台内部微小间隙气体的性能展开研究,实现了微尺度下气体滑移及黏度对气浮工作台性能影响的分析。基于气体润滑理论和微尺度下气体滑移和黏度的研究,实现了气浮工作台内气膜流态模型的修正,利用有限差分法给出了雷诺方程的数值求解过程;通过求解修正模型,分析不同供气压强和气膜间隙下,滑移和黏度对气浮工作台性能影响的机理。研究结果表明:气体滑移和黏度会引起气浮工作台承载力的降低和气膜刚度的增大,但不会改变供气压强和气膜间隙对工作台的影响趋势,只是影响程度发生改变,当同时考虑滑移和黏度时,承载力比忽略时降低最多(约为21.95%),最大刚度比忽略时提升最大(约为15%)。滑移和黏度的存在使得气浮工作台的实际性能最优参数小于理想的最优性能参数,最优气膜间隙由原来的10μm变为6μm。最后,通过试验验证发现,同时考虑气体滑移和黏度时,气浮工作台的性能最接近实际工况,承载力的仿真曲线与试验曲线最吻合,刚度的试验值与仿真值的误差约为9.59%。     

微极性流体螺旋槽径向轴承油膜稳定性

给出了以微极性流体为润滑剂的径向滑动轴承油膜压强摄动方程，并采用有限元法研究螺旋槽径向轴承油膜稳定性。在此基础上计算了螺旋槽径向轴承油膜刚度系数、阻尼系数和不涡动的转子临界质量，微极性流体的特性由耦合数和分子特征长度两个参数决定。研究表明，微极性流体螺旋槽径向轴承比一般牛顿流体为润滑剂的轴承油膜具有更好的稳定性，高耦合数时，润滑油膜厚度和微极性流体分子特征尺度的比值越小，轴承油膜的稳定性越好．     

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。     

空气静压轴承动态性能仿真研究

空气静压轴承具有较小摩擦、运转平稳、使用寿命长、回转精度高且无环境污染等优点.以孔式节流空气静压轴承作为研究对象,利用建模软件,建立孔式节流空气静压轴承三维实体计算模型.通过计算流体动力学（CFD）原理,对该模型网格划分后模拟仿真轴承在一定偏心率下的旋转状态,计算并得出气膜压力分布图,分析其在不同供气压强和不同旋转速度对轴承承载力的影响,并得出影响轴承承载力因素的变化曲线.研究结果对孔式节流空气静压轴承结构设计优化具有可靠性的指导意义.     

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.      

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.     

新型双作用气浮气缸优化设计及其工况分析

由于普通气缸摩擦力存在时变性和不确定性,故其摩檫力无法准确获取,难以实现气缸高精度的力伺服控制。基于静压气体润滑原理并结合空气轴承结构,构建了一种带有环形卸压槽的新型双作用气浮无摩擦气缸,实现了气缸活塞与缸筒内壁间的非接触无摩擦。该气缸的气浮活塞具有独立供气的特点,解决了传统气浮气缸往复运动过程中两腔气压变化时气浮活塞承载力不够而引起的活塞与缸筒接触产生摩擦的问题。采用Fluent软件仿真分析了偏心量、节流孔径、气膜厚度等因素对气浮活塞径向承载力和耗气量的影响,得出了多种气膜厚度下最优的气浮活塞节流孔径;研究了偏心量、供气压力对此最优节流孔径的影响,发现了其随偏心量增大而减小、随供气压力增大而增大的规律;开展了不同工况下活塞-活塞杆组件在缸筒中非接触无摩擦运动时的受力情况分析,得出了气缸空载工况时最低供气压力以及加载工况时最大外负载力与供气压力的关系式。研究结果可为该气浮活塞外径和节流孔径参数的选取、供气压力的确定提供参考,进而达到不同工况时满足径向承载力要求后的耗气量尽可能少的目的。     

扰动频率对动压气体轴承动态刚度和阻尼系数的影响

采用偏导数法求解动压气体润滑Reynolds方程，给出了动压气体轴承动态刚度和阻尼系数普遍适用的计算方法．进行了有限元数值仿真，计算了动压气体轴承的动态刚度和阻尼系数，并重点研究了扰动频率对这些系数的影响．计算结果表明，动压气体轴承的动态刚度系数随着扰动频率的增大而增大，动态阻尼系数随着扰动频率的增大而减小．从理论上解释了动压气体轴承的动态刚度和阻尼系数与扰动频率的密切相关性．     

雷诺润滑系统中薄膜力线性与非线性动特性分析

以一维滑块雷诺润滑系统为研究对象,建立了薄膜厚度方程、薄膜瞬态压强方程、薄膜力的Taylor级数展开式等数学模型,推导出了薄膜力的各阶非线性刚度和阻尼系数及其无量纲量的解析式.研究表明,在分析雷诺润滑系统时,对于小振动情况,可采取线性动特性系数;在大振动情况下,须采用非线性动特性系数,否则,将产生较大误差,甚至相反的结论.     

影响磁头超薄气膜飞行稳态特性因素的数值分析

利用有限差分原理对修正后的气体雷诺方程进行离散,并以剪切流为迭代主项求解获得了超薄气膜润滑轴承的压力分布.在此基础上,通过改变磁头初始工作条件,如气膜特征高度、初始俯仰角、磁盘旋转速度,分别计算得到了气膜轴承在稳态下的飞行特性参数,包括气浮力、气浮力转矩、最大气浮力、最小气浮力等.文中还详细分析了这些初始工作条件对稳态下磁头飞行特性参数的影响.计算结果表明:随着气膜特征高度的降低和初始俯仰角的减小,气体轴承刚度增大;气膜特征高度不变时转速变化对特性参数的影响与俯仰角不变时转速对特性参数的影响具有相同的变化趋势.     

气体热黏效应对干气密封性能影响的数值分析

基于气体多变过程理论和气体润滑理论,通过对雷诺方程的多变指数进行修正,建立了分析螺旋槽干气密封热黏效应的数学模型.采用有限元法对黏度对于干气密封性能的影响进行数值分析.结果表明：多变指数和黏度越大、压力和温度越高,则干气密封的端面气膜承载能力越强;在高速或中、高压工况下,需考虑气体热黏效应对干气密封性能的影响;当端面平均气膜厚度大于2 μm时,气体热黏效应对干气密封性能参数与气膜厚度关系的影响可以忽略不计.
     

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。     

多排环形供气孔静压止推气体轴承的研究

为了提高静压止推气体轴承的刚度及承载力,对一种多排环形供气孔静压气体攫推轴承进行了研究,从气体轴承雷诺方程出发,采用Ｇａｌｅｒｋｉｎ加权余量法推导出了控制方程的有限元形式,并由控制方程的边界条件,采用向前迭代法对轴承静特性参数进行了数值求解,分析了不同参数对止推轴承性能的影响,理论分析及试验研究表明,采用多排环形供气孔后,轴承的静刚度性能有了显著提高。     

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.