【摘要】：薄片軸承是一種采用彈性元件作為支承的自作用式動壓氣體軸承,與傳統(tǒng)的剛性和滾珠軸承相比,具有轉(zhuǎn)速高、無污染、摩擦功耗低、壽命長、工作溫度范圍寬、穩(wěn)定性好和自適應(yīng)性強等諸多優(yōu)點,在低溫制冷、航空航天以及國防等領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用價值和廣泛的發(fā)展前景。本文針對傳統(tǒng)的線接觸計算模型不能很好地預(yù)測懸臂型徑向薄片軸承承載能力的問題,建立了一套基于面接觸假設(shè)的力學(xué)計算模型,分析了面接觸對軸承承載機理的作用規(guī)律,并設(shè)計和搭建試驗臺進行了試驗研究。同時,對波箔型止推薄片軸承進行了理論和試驗研究,揭示了影響軸承性能的關(guān)鍵影響因素。根據(jù)徑向薄片軸承結(jié)構(gòu)特點,將搭接薄片簡化為懸臂彎曲梁,推導(dǎo)了薄片的幾何搭接關(guān)系和單個薄片的變形計算公式;建立了完整的搭接薄片面接觸計算模型,給出了面接觸下薄片變形滿足的約束條件,推導(dǎo)了氣膜作用力和薄片間作用力間的關(guān)系式,構(gòu)建了薄片支承結(jié)構(gòu)的整體剛度矩陣,給出了整個薄片支承結(jié)構(gòu)的變形計算式;采用加權(quán)余量法和有限元法建立求解氣膜壓力分布的計算模型,搭建了基于面接觸模型的求解軸承靜態(tài)特性的氣彈耦合計算流程和框架;采用小擾動法,推導(dǎo)了薄片變形與氣膜厚度及壓力分布關(guān)系式,結(jié)合有限差分法對Reynolds方程進行離散化處理,得到了方程求解的差分格式以及軸承動態(tài)剛度和阻尼系數(shù)的計算公式。利用上述建立的面接觸模型,編程計算了軸承的靜動態(tài)特性,通過將仿真結(jié)果與已發(fā)表文獻中試驗結(jié)果進行比較,驗證了面接觸模型以及數(shù)值計算方法的正確性,并分析研究了薄片厚度、展角、安裝角、長徑比和單邊間隙等結(jié)構(gòu)參數(shù)以及轉(zhuǎn)速和偏心率等對軸承性能的影響規(guī)律,揭示了面接觸對軸承承載性能的作用機理,指出了搭接薄片間面接觸的發(fā)生有利于提高軸承承載性能。根據(jù)波箔型止推薄片軸承結(jié)構(gòu)特點,基于彈性薄板模型和Heshmat模型,分別建立了頂層薄片和支承波箔的剛度矩陣,將兩者融合到一起得到了止推軸承薄片支承結(jié)構(gòu)的整體剛度矩陣;綜合考慮支承結(jié)構(gòu)參數(shù)、斜坡形狀、波箔一致性誤差以及薄片變形,建立了軸承氣膜厚度方程,采用與徑向軸承相同的方法對圓柱坐標系下的Reynolds方程進行簡化和離散化處理,搭建了軸承氣彈耦合計算流程和框架,得到了靜動態(tài)特性的計算公式。利用建立的止推薄片軸承的理論計算方法,編程計算了軸承的靜動態(tài)特性,分析研究了支承結(jié)構(gòu)參數(shù)、斜坡形狀、波箔一致性誤差以及運行參數(shù)對軸承靜動特性的影響規(guī)律,并以承載力為目標函數(shù)對軸承的支承結(jié)構(gòu)參數(shù)進行了初步的優(yōu)化處理。在理論分析和仿真計算的基礎(chǔ)上,設(shè)計徑向薄片軸承和止推薄片軸承的試驗方案,完成了徑向和止推軸承試驗臺結(jié)構(gòu)設(shè)計、徑向和止推軸承試驗件的設(shè)計加工以及測試系統(tǒng)的設(shè)計,進行了軸承靜態(tài)加卸載試驗以及高速運行試驗,分析研究了軸承結(jié)構(gòu)及運行參數(shù)對軸承承載力及摩擦力矩的影響規(guī)律,為后續(xù)進一步優(yōu)化軸承參數(shù)以及改善軸承性能提供參考和借鑒。論文建立的面接觸計算模型以及開發(fā)的數(shù)值求解算法和流程,能夠更好地預(yù)測軸承承載性能,完善了懸臂型徑向薄片軸承的理論分析體系,有利于促進該型軸承的進一步發(fā)展和應(yīng)用;對波箔型止推薄片軸承中關(guān)鍵因素對軸承靜動特性的影響規(guī)律的深入研究,有助于更好的改善和提高波箔型止推薄片軸承的性能。
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【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：TH133.3

【參考文獻】

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本文編號：2260797