液體懸浮軸承的支承性能及其影響因素研究.pdf

1、液體懸浮軸承（包括靜壓和動靜壓混合軸承）作為一種重要的滑動支承方式，已經(jīng)在技術上取得了長足的進步，并且在工程上得到了廣泛的應用。然而，長期以來人們對于液體懸浮支承系統(tǒng)支承性能及其影響因素的研究并不充分，導致液體懸浮支承的基礎研究始終落后于其技術的發(fā)展。在傳統(tǒng)的靜壓和動靜壓混合軸承設計中，往往將支承運動副獨立于整個裝備系統(tǒng)，給予理想化的假設條件（如：軸承和主軸具有理想的幾何尺寸，膜厚間隙內(nèi)流體介質的流態(tài)為等溫、層流、膜厚方向同態(tài)等）進行支

2、承系統(tǒng)幾何和工藝參數(shù)的計算。在液體懸浮軸承的動力學性能的研究上，也是基于相同假設將支承油膜簡化為彈簧-質量-阻尼構成的線性系統(tǒng)。其實質是將液體懸浮支承的工作過程視為時不變過程，而忽略了潤滑介質在流動過程中產(chǎn)生的工作溫升、軸承與主軸的熱變形和彈性變形、以及由此引起的油膜間隙變化等因素，從而導致液體懸浮支承的真實工作性能與期望的設計性能有很大偏差。
　　近年來，為適應高轉速的要求，懸浮軸承技術逐漸由靜壓軸承向動靜壓混合軸承的方向發(fā)展，

3、即綜合運用動壓軸承和靜壓軸承的優(yōu)點，取長補短?；谝陨显?，本文以動靜壓混合軸承為對象，以有限元方法為主要研究手段，結合實驗研究，對動靜壓軸承的設計參數(shù)對支承性能的影響、動靜壓軸承的非線性穩(wěn)定性及其運行過程中產(chǎn)生的熱-彈性效應對支承性能的影響等三個方面進行了系統(tǒng)的研究，旨在為液體懸浮軸承提供系統(tǒng)的設計方法和應用指導。論文的主要研究內(nèi)容如下：
　?。?）針對以往靜壓及動靜壓軸承的性能計算多依賴經(jīng)驗公式，并且所研究的內(nèi)容局限在承載力、

4、靜態(tài)剛度等宏觀力學性能的問題，給出了雷諾方程的有限元數(shù)值解法。并在此基礎上提出了基于微分變換的求解油膜剛度、阻尼和軸心平衡位置的計算方法。系統(tǒng)地研究了動靜壓軸承的設計參數(shù)對油膜承載能力的影響規(guī)律，并重點關注了軸心平衡位置、局部最大壓力、瞬態(tài)剛度和阻尼、線性臨界轉速等以往研究中較少涉及的問題。
　　（2）對動靜壓軸承油膜的非線性穩(wěn)定性進行了研究，揭示了液體懸浮軸承穩(wěn)定性的一些新特性。處于穩(wěn)態(tài)運行的主軸受到外界擾動時，軸心位置會發(fā)生偏

5、移，對系統(tǒng)的穩(wěn)定性造成影響。以往的研究中對靜壓和動靜壓軸承系統(tǒng)的穩(wěn)定性關注較少，或者多采用線性動力學方程和簡化模型來解析系統(tǒng)的穩(wěn)定性，得到的結果具有一定的誤差。本文在數(shù)值計算求解油膜壓力分布的基礎上，對比了動靜壓軸承線性和非線性穩(wěn)定性的差異，說明了進行非線性分析的必要性。通過求解動靜壓軸承系統(tǒng)的非線性動力學方程得到了主軸的非線性軸心軌跡，根據(jù)軸心軌跡的狀態(tài)來判斷主軸的穩(wěn)定性，得到了在接近臨界轉速時軸心位置的非線性穩(wěn)定性邊界。
　　

6、（3）針對高速、高壓、長時間運轉等極端工況條件下軸承內(nèi)部會產(chǎn)生明顯的溫升和彈性變形等問題，基于商用有限元求解器搭建了動靜壓軸承潤滑油膜的流-固-熱耦合模型。充分考慮了運行過程中油膜剪切作用造成的不均勻溫升，以及由此導致的潤滑油粘度不均勻、主軸和軸承的熱變形等問題。此外還考慮了油膜壓力對軸承造成的彈性變形對支承性能的影響。對絕熱剛性模型、絕熱彈性模型、熱彈性模型等三種不同模型進行了計算，對比分析了熱效應、彈性變形以及熱-彈性綜合效應對系統(tǒng)

7、支承性能的影響。重點分析了系統(tǒng)工況參數(shù)對軸承溫升的影響規(guī)律。研究結果對軸承性能的準確計算和預測具有一定的指導意義。
　?。?）為驗證前文理論分析的正確性，設計了動靜壓混合軸承試驗臺。采用多種傳感器采集了軸承工作過程中的油膜壓力分布、油膜溫度分布、主軸軸心位置、軸承的供油流量、主軸承受的載荷等多種數(shù)據(jù)。分別設計了不考慮熱效應的瞬態(tài)實驗和考慮熱效應的熱平衡實驗。實驗結果與數(shù)值計算結果總體相符，進一步驗證了數(shù)值計算的正確性，也為前文給出