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新型高阻尼气体箔片轴承及其转子系统的理论和实验研究

赵雪源  
【摘要】:气体箔片轴承是一种具有柔性支承结构的自适应动压气体轴承,具有转速高、寿命长、无油润滑、结构紧凑等诸多优点,被认为是在高温和高速工况下替代常规油润滑的滑动轴承和滚动轴承的理想产品。由于承载能力高、加工精度好,波箔型气体箔片轴承被广泛应用于航空航天和国防等关键领域中的高速旋转设备中。但是由于润滑气体的粘性较小,传统波箔型箔片轴承-转子系统存在系统阻尼不足、高速稳定性差等问题,严重制约着箔片轴承技术的发展前景。针对以上问题,本文提出了一种新型高阻尼气体箔片轴承,采用金属丝网结构作为阻尼器来增强箔片轴承的结构阻尼特性和耗散机械振动能量的能力,提高了转子系统的高速稳定性。论文的主要研究内容和完成的研究成果包括以下几个方面:根据气体箔片轴承的结构特点,建立顶箔的二维有限元模型,考虑顶箔局部变形对箔片轴承性能的影响;将金属丝网材料视为弹簧和并联阻尼器的组合,考虑金属丝网结构内干摩擦节点对结构刚度和库伦阻尼的影响,建立了包含主要材料和结构参数的金属丝网型气体箔片轴承的理论模型并搭建静态循环载荷实验台验证了理论模型的适用性,为该类型箔片轴承的设计和性能预测提供了理论指导。在金属丝网结构理论模型的基础上,结合波箔结构的刚度计算模型,得到了新型箔片轴承弹性支承结构的结构刚度和阻尼系数矩阵;采用Newton-Raphson数值迭代方法和有限差分法求解可压缩气体的稳态Reynolds方程,结合轴承支承结构的弹性变形方程,建立新型箔片轴承的静态特性气弹耦合润滑模型;研究和分析了金属丝网结构相对密度、轴承载荷和工作转速对新型箔片轴承中润滑气膜厚度沿周向和轴向分布的影响,同时计算并分析了不同工况下的轴心偏心率、偏位角和稳态平衡位置,为新型箔片轴承中润滑气膜的分布特点和变化规律提供大量的数据,对合理的设计新型轴承弹性支承结构具有重要的参考意义。对新型箔片轴承弹性支承结构在静态和动态循环载荷下的结构力学性能进行了实验测试,并将实验结果与传统波箔型箔片轴承进行了对比,证明新型轴承具有较好的结构阻尼特性;通过锤击激励法测量了新型箔片轴承的动态线性刚度和阻尼系数,采用小扰动法耦合求解瞬态Reynolds方程和弹性支承结构运动方程得到轴承线性动态系数并与实验结果对比验证;建立新型箔片轴承的非线性理论模型,计算轴心轨迹并研究分析了摩擦系数和金属丝网结构相对密度对轴承临界质量的影响,证明金属丝网结构中较高的摩擦系数能够提高转子系统的稳定性。利用传热学基本理论对新型箔片轴承弹性支承结构和空心轴的复杂温度边界条件进行分析,通过耦合求解润滑气膜的稳态非等温Reynolds方程和能量方程,建立了新型箔片轴承的热弹流润滑理论模型;计算新型轴承在不同转速和冷却方法下的周向和轴向温度分布,并搭建温度测试实验台测量箔片轴承在各种工况下的温度分布,验证理论模型计算结果并分析了不同冷却方法的有效性;计算并分析箔片轴承中各传热路径的散热比例,证明了在支承结构内冷却时波箔区域散热的主导作用。设计并搭建由箔片轴承支承的转子系统动力学测试实验台,测量转子系统在不同金属丝网结构相对密度、附加不平衡质量、径向间隙和轴承载荷下的动力学响应,并对实验结果进行数据处理、分析和讨论;测量传统波箔型箔片轴承支承的转子系统在相同工况下的动力学响应并与新型轴承实验结果进行对比;实验结果证明新型轴承能够提高次同步振动的发生转速,有效的抑制在高转速区域的次同步振动幅值,大幅提高转子系统的高速稳定性,验证了该新型箔片轴承的设计思想;建立基于实验数据的箔片轴承非线性结构刚度模型和刚性转子理论模型,计算了在不同不平衡质量下的转子系统动力学响应,计算结果与实验数据能够较好的吻合,证明了该模型的有效性。综上所述,本文提出的新型高阻尼气体箔片轴承是通过在波箔结构中并联金属丝网阻尼器的方法提高了轴承-转子系统的结构阻尼,并通过理论和实验方法研究了该新型轴承在不同结构、材料参数和工况下的静动态和非线性特性、温度特性和轴承-转子系统动力学性能。实验数据和计算结果证明该新型箔片轴承与传统类型箔片轴承相比具有较高的加工精度,特殊设计的弹性支承结构在易于冷却的同时能够为转子系统提供足够的结构阻尼,是一种具有较好工程应用前景和发展潜力的气体箔片轴承技术。


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