高速靜壓氣體軸承——轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的特性研究.pdf

1、靜壓氣體軸承具有運轉(zhuǎn)速度高、精度高、能耗低等優(yōu)點，在高速精密機(jī)床、精密測量儀器、高速轉(zhuǎn)子等設(shè)備上具有良好的適用性。當(dāng)前，隨著轉(zhuǎn)子速度的不斷提高，一方面高轉(zhuǎn)速帶來的動壓效應(yīng)對軸承的動靜態(tài)特性影響更加突出，雷諾方程無法滿足流場精確計算的需求；另一方面高轉(zhuǎn)速導(dǎo)致的諸多非線性因素使轉(zhuǎn)子動力學(xué)的線性理論無法滿足高速氣體軸承—轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的研究需求。
　　 本文以提高高速靜壓氣體軸承—轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的穩(wěn)定性為目的，針對靜壓氣體軸承的流場計算、靜壓氣體

2、軸承的動靜態(tài)特性分析、氣體軸承—轉(zhuǎn)子系統(tǒng)特性的耦合研究、系統(tǒng)特性的實驗測試等方面開展了系統(tǒng)深入的研究，主要研究內(nèi)容包括：
　　 分析不同流場數(shù)值計算方法對靜壓氣體軸承的適用性。以靜壓氣體止推軸承為研究對象，采用基于雷諾方程的有限差分法及基于N—S方程的有限體積法中的層流模型、湍流模型及二者混合等四種方法對靜壓氣體軸承的流場進(jìn)行計算。雷諾方程和湍流模型無法滿足流場精確計算的需求；選擇基于N—S方程的層流模型作為高速靜壓氣體軸承研究

3、中的計算方法。
　　 采用三維流場計算方法研究軸承結(jié)構(gòu)及工況對靜壓徑向氣體軸承動靜態(tài)特性的影響。采用分區(qū)劃分、局部加密的三維建模方法；通過旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系與靜態(tài)網(wǎng)格相結(jié)合的方法實現(xiàn)靜壓氣體軸承動態(tài)特性的三維計算。計算結(jié)果表明：高速狀態(tài)下，動壓效應(yīng)提高了軸承的主承載能力及剛度，偏心率越大，動壓效應(yīng)越明顯；隨著轉(zhuǎn)速的增高，主剛度增大，主阻尼減小，交叉剛度和交叉阻尼的變化則因偏心率的不同而不同；隨著供氣壓力的提高，主剛度增大，交叉剛度則在大

4、偏心范圍內(nèi)隨供氣壓力提高而增大，阻尼的變化則因轉(zhuǎn)速和偏心率的不同而不同；高轉(zhuǎn)速、大偏心狀態(tài)下，受動壓效應(yīng)的影響，環(huán)面節(jié)流靜壓氣體軸承的主剛度和交叉阻尼大于小孔節(jié)流，而交叉剛度和主阻尼則小于小孔節(jié)流；隨著供氣孔個數(shù)的增加，主阻尼增大，安裝方式對軸承特性的影響可以忽略；切向供氣提高了軸承的主阻尼，減小了交叉剛度，有利于提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，但耗氣量較大。
　　 提出一種基于CFD計算結(jié)果的靜壓氣體軸承—轉(zhuǎn)子系統(tǒng)特性的耦合研究方法。通過對

5、不同工況下氣膜力的CFD計算結(jié)果的擬合，得到氣膜力隨轉(zhuǎn)速和偏心率變化的非線性關(guān)系式；將所得的擬合關(guān)系式與轉(zhuǎn)子動力學(xué)方程進(jìn)行耦合求解，實現(xiàn)流場精確計算結(jié)果與轉(zhuǎn)子動力學(xué)方程的耦合，充分考慮動壓效應(yīng)及轉(zhuǎn)子位移對系統(tǒng)特性的影響。氣膜力的非線性使系統(tǒng)中不平衡量的改變和響應(yīng)幅值的增加不是線性變化關(guān)系。
　　 設(shè)計并搭建高速軸承—轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的測試系統(tǒng)，設(shè)計新型切向非均勻孔徑供氣和新型垂直分區(qū)非均勻壓力供氣的靜壓氣體軸承，并對不同軸承結(jié)構(gòu)和工作狀

6、態(tài)下的系統(tǒng)特性進(jìn)行測試對比分析。提出一種基于靜壓氣體軸承原理的高速軸承—轉(zhuǎn)子系統(tǒng)非接觸式加載方法。所提出的基于CFD計算結(jié)果的系統(tǒng)特性的耦合研究方法具有較高的計算精度；與垂直供氣相比，切向供氣軸承能夠減小轉(zhuǎn)子的跳動幅值，定性地證明動態(tài)特性理論分析的正確性；新型切向非均勻孔徑供氣軸承可以有效地提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性；新型垂直分區(qū)非均勻壓力供氣軸承能夠減小一階臨界轉(zhuǎn)速附近的跳動幅值，但其后出現(xiàn)了局部增大現(xiàn)象；實驗工況下，加載會增加額外的系統(tǒng)振動，