【摘要】：動壓氣體軸承因其優(yōu)于油潤滑軸承的優(yōu)良性能被廣泛應用于渦輪膨脹機等高速旋轉機械中,對于這類軸承的靜、動態(tài)性能以及相應轉子系統(tǒng)的動力學行為進行系統(tǒng)的實驗和理論研究,是軸承設計和使用的關鍵,對提高軸承性能和擴大其應用范圍有重要意義。本文給出了可傾瓦動壓氣體軸承靜、動態(tài)性能的計算方法,以及可傾瓦軸承-轉子系統(tǒng)動力學行為的分析方法,并在此基礎上率先建立了引入壓電作動器和PID反饋控制系統(tǒng)的可傾瓦軸承-轉子系統(tǒng)振動的主動控制模型,實現(xiàn)了對系統(tǒng)不平衡響應的最優(yōu)控制。此外,本文還結合國家“863”項目,建立實驗臺對彈性箔片動壓氣體軸承的靜態(tài)和動態(tài)性能進行了實驗研究。本文的主要研究內容為: 1.在采用有限元法迭代求解動壓氣體潤滑靜態(tài)Reynolds方程的基礎上,計算了可傾瓦動壓氣體軸承的靜態(tài)性能并進行了有限元仿真,詳細討論了軸承預負荷、壓縮數(shù)等軸承參數(shù)對軸承靜態(tài)性能的影響。 2.采用偏導數(shù)法在復數(shù)域內求解動壓氣體潤滑的動態(tài)Reynolds方程,給出了軸瓦和軸頸同頻擾動時可傾瓦軸承的動態(tài)剛度和阻尼系數(shù)的兩種計算方法,通過計算結果的對比說明了這兩種計算方法的有效性。借助數(shù)值仿真結果,討論了軸承參數(shù)對軸承動態(tài)系數(shù)的影響,并首次全面解釋了軸頸和軸瓦的動態(tài)擾動頻率對可傾瓦動壓氣體軸承的動態(tài)剛度和阻尼系數(shù)的影響,以及它們各自在軸承動態(tài)系數(shù)中所起的作用。 3.應用極限理論,計算了擾動頻率Ω→0+和Ω→+∞時可傾瓦軸承的動態(tài)剛度和阻尼系數(shù)的極限值,提供了一種軸承靜態(tài)剛度和阻尼系數(shù)的計算方法,使得在全頻率范圍內研究可傾瓦動壓氣體軸承的動態(tài)性能成為可能。 4.依據(jù)運動方程中是否包含軸瓦的擺動自由度,建立了可傾瓦軸承-柔性轉子系統(tǒng)的兩種動力學計算模型,并在考慮軸承動態(tài)系數(shù)的頻率效應的前提下,根據(jù)求得的系統(tǒng)特征值分析了轉子系統(tǒng)的穩(wěn)定性,完善了可傾瓦動壓氣體軸承-轉子系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析。結果表明,這兩種計算模型得到的系統(tǒng)特征值以及對系統(tǒng)穩(wěn)定性的分析結果是一致的。 5.通過引入壓電作動器和PID反饋控制系統(tǒng),率先建立了可傾瓦軸承-轉子系統(tǒng)振動的主動控制模型,應用最優(yōu)控制理論得出了系統(tǒng)最優(yōu)反饋的電壓-位移控制律,實現(xiàn)了轉子系統(tǒng)不平衡響應的有效抑制,為進一步改善可傾瓦軸承-轉子系統(tǒng)的穩(wěn)定性提供了理論基礎。 6.搭建了彈性箔片動壓氣體軸承的多功能測試實驗臺,給出了彈性箔片動壓氣體軸承靜、動態(tài)性能的測試方法。將摩擦力矩法和位移響應頻譜法相結合,較精確地識別出了徑向軸承的起飛轉速,采用最小二乘法在時域內計算了徑向軸承的動態(tài)剛度和阻尼系數(shù),重點分析了激振頻率對軸承動態(tài)系數(shù)的影響,并應用位移響應頻譜法解決了彈性箔片止推軸承起飛轉速實驗識別的難題。
【學位授予單位】：西安交通大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2009
【分類號】：TH133.35
【圖文】：

結構簡圖見圖1-1。當系統(tǒng)承受載荷時，各片軸瓦都會根據(jù)載荷的大小來補償氣膜厚度的改變，并產生相應的氣膜壓力來與之平衡，以達到穩(wěn)定狀態(tài)�？蓛A瓦軸承由于各軸瓦均能自由傾斜，進行自動調節(jié)，具有良好的自對中能力和較高的穩(wěn)定性，因而在旋轉機械中得到

了廣泛應用[16]，特別是在高速透平機械中日益受到青睞。隨著動壓氣體軸承透平膨脹機在低溫系統(tǒng)應用的日益廣泛，人們對氣體軸承的要求越來越高，要求其在高速下能穩(wěn)定運轉，且能耐沖擊、耐振動、易于制造�？蓛A瓦動壓氣體軸承以其特有的優(yōu)點滿足了這種要求[17-18]。彈性箔片氣體軸承是動壓氣體軸承的另一種重要形式，它存在多種結構形式[19-20]，典型結構如圖 1-2 所示，一般由頂層箔片和帶有波紋的彈性支承拱箔構成。彈性箔片氣體軸承由于采用彈性支承表面，具有很強的自適應性，在氣體動壓的作用下軸承表面會發(fā)生彈性變形以適應氣膜間隙中壓力場的變化。軸承結構的阻尼效應可以有效地抑制軸承-轉子系統(tǒng)的自激渦動和低頻渦動，且因其表面的柔性，也能有效地降低轉子和軸承表面的摩擦損耗，所以彈性箔片軸承以其良好的穩(wěn)定性、較大的承載力、工作溫度范圍廣、低摩擦功耗、耐振動沖擊、啟停性能好、產品可修復性好、可在存在污物與水分的環(huán)境下運行等優(yōu)點而在氣體循環(huán)機、高速渦輪機械和高速透平機械中具有良好的發(fā)展?jié)摿蛻们熬癧14, 21-25]。綜上所述，氣體軸承，尤其是可傾瓦動壓氣體軸承和彈性箔片動壓氣體軸承在旋轉機械中具有可觀的應用前景。因此，對這些軸承的理論和實驗研究具有重要的工程意義。

西安交通大學博士學位論文圖 2-3 給出了軸承數(shù) Λ =3.5，長徑比 L / D = 0.825，偏心率'ε =0.6時軸瓦 2 的無量綱氣膜壓力2P 和氣膜厚度2H 的三維分布�？梢钥闯觯貉剌S頸旋轉方向，氣膜厚度逐漸減小，氣膜壓力逐漸增大，在接近出氣端出現(xiàn)最大值，軸瓦四個端面的氣膜壓力與環(huán)境壓力相同。

【引證文獻】

相關期刊論文 前4條

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3 徐大明;曾勵;;磁、氣懸浮電機的機制研究及仿真分析[J];徐州工程學院學報(自然科學版);2014年04期

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本文編號：2745624