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《大连海事大学》 2011年
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高速静压气体轴承—转子系统的特性研究

于贺春  
【摘要】:静压气体轴承具有运转速度高、精度高、能耗低等优点,在高速精密机床、精密测量仪器、高速转子等设备上具有良好的适用性。当前,随着转子速度的不断提高,一方面高转速带来的动压效应对轴承的动静态特性影响更加突出,雷诺方程无法满足流场精确计算的需求;另一方面高转速导致的诸多非线性因素使转子动力学的线性理论无法满足高速气体轴承-转子系统的研究需求。 本文以提高高速静压气体轴承-转子系统的稳定性为目的,针对静压气体轴承的流场计算、静压气体轴承的动静态特性分析、气体轴承-转子系统特性的耦合研究、系统特性的实验测试等方面开展了系统深入的研究,主要研究内容包括: 分析不同流场数值计算方法对静压气体轴承的适用性。以静压气体止推轴承为研究对象,采用基于雷诺方程的有限差分法及基于N-S方程的有限体积法中的层流模型、湍流模型及二者混合等四种方法对静压气体轴承的流场进行计算。雷诺方程和湍流模型无法满足流场精确计算的需求;选择基于N-S方程的层流模型作为高速静压气体轴承研究中的计算方法。 采用三维流场计算方法研究轴承结构及工况对静压径向气体轴承动静态特性的影响。采用分区划分、局部加密的三维建模方法;通过旋转坐标系与静态网格相结合的方法实现静压气体轴承动态特性的三维计算。计算结果表明:高速状态下,动压效应提高了轴承的主承载能力及刚度,偏心率越大,动压效应越明显;随着转速的增高,主刚度增大,主阻尼减小,交叉刚度和交叉阻尼的变化则因偏心率的不同而不同;随着供气压力的提高,主刚度增大,交叉刚度则在大偏心范围内随供气压力提高而增大,阻尼的变化则因转速和偏心率的不同而不同;高转速、大偏心状态下,受动压效应的影响,环面节流静压气体轴承的主刚度和交叉阻尼大于小孔节流,而交叉刚度和主阻尼则小于小孔节流;随着供气孔个数的增加,主阻尼增大,安装方式对轴承特性的影响可以忽略;切向供气提高了轴承的主阻尼,减小了交叉刚度,有利于提高系统的稳定性,但耗气量较大。 提出一种基于CFD计算结果的静压气体轴承-转子系统特性的耦合研究方法。通过对不同工况下气膜力的CFD计算结果的拟合,得到气膜力随转速和偏心率变化的非线性关系式;将所得的拟合关系式与转子动力学方程进行耦合求解,实现流场精确计算结果与转子动力学方程的耦合,充分考虑动压效应及转子位移对系统特性的影响。气膜力的非线性使系统中不平衡量的改变和响应幅值的增加不是线性变化关系。 设计并搭建高速轴承-转子系统的测试系统,设计新型切向非均匀孔径供气和新型垂直分区非均匀压力供气的静压气体轴承,并对不同轴承结构和工作状态下的系统特性进行测试对比分析。提出一种基于静压气体轴承原理的高速轴承-转子系统非接触式加载方法。所提出的基于CFD计算结果的系统特性的耦合研究方法具有较高的计算精度;与垂直供气相比,切向供气轴承能够减小转子的跳动幅值,定性地证明动态特性理论分析的正确性;新型切向非均匀孔径供气轴承可以有效地提高系统的稳定性;新型垂直分区非均匀压力供气轴承能够减小一阶临界转速附近的跳动幅值,但其后出现了局部增大现象;实验工况下,加载会增加额外的系统振动,且会增大各阶临界转速的跳动幅值;随着供气压力提高,垂直均匀供气轴承-转子系统的一阶临界转速附近的跳动幅值减小,但其后出现了局部增大现象;对于切向供气轴承,供气压力的提高可以提高系统的稳定性。
【学位授予单位】:大连海事大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2011
【分类号】:TH133.3

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【引证文献】
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2 刘海艳;高速静压气体轴承—转子系统稳定性研究[D];大连海事大学;2012年
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【参考文献】
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【共引文献】
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6 高轩能;李琨;;变截面门式刚架地震反应研究进展[J];四川建筑科学研究;2008年03期
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1 宫建国;陶钧;曾胜;金涛;;地基平面沉降下的大型石油储罐模态分析[A];第七届中国CAE工程分析技术年会暨2011全国计算机辅助工程(CAE)技术与应用高级研讨会论文集[C];2011年
2 张应迁;石艳;唐克伦;刘明;;外压容器临界载荷特性研究[A];第七届中国CAE工程分析技术年会暨2011全国计算机辅助工程(CAE)技术与应用高级研讨会论文集[C];2011年
3 王青平;白武明;王洪亮;;多重网格在二维泊松方程有限元分析中的应用[A];中国科学院地质与地球物理研究所第11届(2011年度)学术年会论文集(上)[C];2012年
4 李同春;朱寿峰;赵兰浩;胡继刚;;考虑坝体与坝肩动力相互作用的坝肩稳定动接触降强算法[A];现代水利水电工程抗震防灾研究与进展(2011年)[C];2011年
5 张汉云;张燎军;;基于虚拟裂缝模型的带横缝高拱坝的抗震性能研究[A];现代水利水电工程抗震防灾研究与进展(2011年)[C];2011年
6 纪军;王安华;任增金;;圆沉箱内隔墙的设置方式[A];中国土木工程学会港口工程分会第七届港口工程技术交流会论文集[C];2011年
7 王彬;;基于APDL的大口径反射镜优化设计[A];第二十四届全国空间探测学术交流会论文摘要集[C];2011年
8 周清华;杜留法;杨雄辉;;减摇鳍加强结构CAD/CAE一体化的若干关键技术探讨[A];纪念徐秉汉院士船舶与海洋结构力学学术会议论文集[C];2011年
9 伍敏;杨金福;黄国君;张占一;韩东江;刘玉晗;;单圆盘转子模态分析方法研究[A];第十届全国振动理论及应用学术会议论文集(2011)上册[C];2011年
10 樊征兵;何欢;陈国平;;不确定结构的模态和动响应分析[A];第十届全国振动理论及应用学术会议论文集(2011)上册[C];2011年
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4 毛海涛;无限深透水地基上土石坝坝基渗流控制计算方法和防渗措施的研究[D];新疆农业大学;2010年
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7 谭林;基于动力指纹的结构损伤识别可靠度方法研究[D];华南理工大学;2010年
8 王春林;旋流自吸泵设计及内部流动研究[D];江苏大学;2010年
9 刘继展;番茄采摘机器人真空吸持系统分析与优化控制研究[D];江苏大学;2010年
10 卢兆刚;基于混合FE-SEA方法的汽车薄壁件中频声学特性预测及优化研究[D];浙江大学;2011年
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1 郑越青;箔片轴承固体润滑用类金刚石薄膜的设计、制备和性能研究[D];中国工程物理研究院;2010年
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【同被引文献】
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2 姚世锋;薛德庆;张彦斌;蔡继军;;LabVIEW与Matlab的混合编程[J];兵工自动化;2005年06期
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1 朱鋆峰;动静压气体止推轴承的承载特性研究[D];大连海事大学;2013年
【二级参考文献】
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6 罗继伟,王云飞;多孔质静压气体轴承静态性能的有限元分析[J];轴承;1985年02期
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1 王绪胜;马文琦;于贺春;;几种不同结构的静压径向气体轴承性能分析[A];中国机械工程学会流体传动与控制分会第六届全国流体传动与控制学术会议论文集[C];2010年
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3 刘立强;熊联友;侯予;陈纯正;张亮;;透平膨胀机新型切向小孔气体轴承稳定性的实验研究[A];第四届全国低温工程学术会议论文集[C];1999年
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6 汤家师;静压气体轴承的跨尺度数值计算方法研究[D];华中科技大学;2013年
7 陈争;真空预载荷静压气体轴承的研究[D];哈尔滨工业大学;2011年
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9 张翰乾;高速静压气体轴承转子系统的稳定性分析[D];哈尔滨工业大学;2012年
10 乔江东;基于数值模拟的精密摆角铣头气体静压轴承的研究[D];哈尔滨工业大学;2006年
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