转子—箔片轴承系统动力学特性理论及试验研究

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箔片轴承是一种以柔性表面为支承的自作用式弹性动压轴承,其结构比传统的刚性表面气体轴承复杂,但由于箔片本身的弹性变形特点使得箔片轴承具有许多突出的优点,如自适能力强、转速高、耐高温、低摩擦损失以及良好的运转稳定性等。箔片轴承在低温、制冷、航空、航天以及国防等领域具有重要的应用价值和广阔的发展前景,在发达国家(如美国等),箔片轴承已经被成功地应用到 F-16、F-18等战斗机、B-1B和 B-2型战略轰炸机、SAAB-2000和波音777等飞行器上的空气制冷机械中。但此前箔片轴承研究和应用均以气体(或液氧、液氮)作为润滑介质,这对箔片本身的材料属性、箔片加工制造工艺以及箔片表面镀层等技术提出了十分苛刻的要求,阻碍了箔片轴承的进一步发展和应用。鉴于此,本文提出采用油作润滑介质的箔片轴承思路,达到降低箔片材料属性、降低箔片加工制造工艺以及箔片表面镀层等技术要求的目的。在理论分析中,将油润滑箔片轴承和气体润滑箔片轴承进行对比研究,最后设计、建立了专门的多叶油润滑箔片轴承-转子系统试验台,进行了系列试验研究。  在建立气膜厚度模型的基础上,采用有限差分和 Newton-Raphson迭代方法实现了耦合求解压力控制 Reynolds方程和气膜厚度方程组,将计算结果与通过公开发表的文献和实验数据对比验证了计算方法的可行性和求解程序的正确性。对比分析气体动压箔片轴承和传统刚性表面气体轴承压力和气膜厚度分布特点,表明气体箔片轴承比刚性表面轴承具有更高的承载能力和运转稳定性。在此基础上分析了气体润滑波箔型和多叶型箔片轴承的静态特性,包括轴承数、偏心率、长径比等对轴承载荷性能的影响,轴承数与摩擦矩的关系、压力和气膜厚度的分布规律等,根据实际箔片轴承结构特点,专门分析了箔片变形系数和箔片初始预变形等因素对箔片轴承静态特性的影响等,提出了通过适当增大箔片初始预变形来改善轴承载荷能力的方法。根据半 Sommerfeld条件,建立了油润滑箔片轴承的油膜厚度模型,与油膜压力控制 Reynolds方程实现耦合求解,分析了油润滑波箔型箔片轴承和多叶型箔片轴承各种静态性能以及供油压力对轴承静特性的影响。  通过小扰动法思想将压力、润滑膜厚度和箔片径向变形等按位移和速度扰动微量在平衡位置 Taylor展开,结合 Reynolds方程建立起压力和气膜厚度关于扰动微量微分的五个方程组,再通过箔片变形、膜厚变化与压力的平衡关系建立起压力和膜厚对扰动微量的另外五个关系表达式,联立求解上述十个方程组获得八个动态特性系数。分析了油润滑波箔型箔片轴承和多叶型箔片轴承的动态特性系数变化规律,并与相应的气体润滑箔片轴承动态特性进行了对比研究,包括偏心率、轴承数、长径比以及箔片变形系数对箔片轴承动特性系数的影响等。此外,还分析了供油压力对箔片轴承动特性系数的影响。结果表明油润滑箔片轴承的油膜刚度系数整体上远高于气体润滑箔片轴承的气膜刚度系数。采用油润滑箔片轴承的思路,可有效改善箔片轴承的承载能力和运转稳定性。  建立实际的油润滑多叶型箔片轴承支承的转子系统模型,通过有限单元法推导出转子系统频率方程,根据油膜动态特性计算方法得到多叶型箔片轴承八个油膜刚度和阻尼系数,将其主刚度代入频率方程,获得转子系统系列临界转速。采用 Newmark法分析了油润滑转子-多叶箔片轴承系统的动力学特性,表明推力盘和驱动涡轮不平衡质量对转子系统稳定性产生重要影响,低转速时非驱动端振动幅值大于驱动端,高转速时驱动端振动幅值大于非驱动端,同时油润滑多叶箔片轴承-转子系统在较高转速仍具有良好的运转稳定性。  设计并建立了专门的多叶型油润滑箔片轴承-转子系统试验台。设计包括油润滑系统、涡轮驱动系统、转子及多叶箔片径向、止推和混合轴承等内容。进行了临界转速试验、低转速范围和高转速范围的升降速试验、不同半径间隙对稳定性影响等试验研究,并获得了最高超过10×104转/分的运转速度。试验结果表明,油润滑箔片轴承,实现了有效降低轴承对箔片材质的属性、箔片加工制造工艺以及箔片表面镀层等技术苛刻要求的目的,同时采用普通的铍青铜材质,油润滑多叶型箔片轴承亦能实现较高转速,体现了良好的启停性能、升降速适应能力和抗冲击振动的能力,箔片摩擦损耗小,可有效延长箔片的使用寿命。
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