轉(zhuǎn)子—箔片軸承系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)特性理論及試驗(yàn)研究.pdf

1、箔片軸承是一種以柔性表面為支承的自作用式彈性動(dòng)壓軸承，其結(jié)構(gòu)比傳統(tǒng)的剛性表面氣體軸承復(fù)雜，但由于箔片本身的彈性變形特點(diǎn)使得箔片軸承具有許多突出的優(yōu)點(diǎn)，如自適能力強(qiáng)、轉(zhuǎn)速高、耐高溫、低摩擦損失以及良好的運(yùn)轉(zhuǎn)穩(wěn)定性等。箔片軸承在低溫、制冷、航空、航天以及國(guó)防等領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用價(jià)值和廣闊的發(fā)展前景，在發(fā)達(dá)國(guó)家(如美國(guó)等)，箔片軸承已經(jīng)被成功地應(yīng)用到 F-16、F-18等戰(zhàn)斗機(jī)、B-1B和 B-2型戰(zhàn)略轟炸機(jī)、SAAB-2000和波音777等

2、飛行器上的空氣制冷機(jī)械中。但此前箔片軸承研究和應(yīng)用均以氣體(或液氧、液氮)作為潤(rùn)滑介質(zhì)，這對(duì)箔片本身的材料屬性、箔片加工制造工藝以及箔片表面鍍層等技術(shù)提出了十分苛刻的要求，阻礙了箔片軸承的進(jìn)一步發(fā)展和應(yīng)用。鑒于此，本文提出采用油作潤(rùn)滑介質(zhì)的箔片軸承思路，達(dá)到降低箔片材料屬性、降低箔片加工制造工藝以及箔片表面鍍層等技術(shù)要求的目的。在理論分析中，將油潤(rùn)滑箔片軸承和氣體潤(rùn)滑箔片軸承進(jìn)行對(duì)比研究，最后設(shè)計(jì)、建立了專門的多葉油潤(rùn)滑箔片軸承-轉(zhuǎn)子系

3、統(tǒng)試驗(yàn)臺(tái)，進(jìn)行了系列試驗(yàn)研究。
　　在建立氣膜厚度模型的基礎(chǔ)上，采用有限差分和 Newton-Raphson迭代方法實(shí)現(xiàn)了耦合求解壓力控制 Reynolds方程和氣膜厚度方程組，將計(jì)算結(jié)果與通過(guò)公開(kāi)發(fā)表的文獻(xiàn)和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比驗(yàn)證了計(jì)算方法的可行性和求解程序的正確性。對(duì)比分析氣體動(dòng)壓箔片軸承和傳統(tǒng)剛性表面氣體軸承壓力和氣膜厚度分布特點(diǎn)，表明氣體箔片軸承比剛性表面軸承具有更高的承載能力和運(yùn)轉(zhuǎn)穩(wěn)定性。在此基礎(chǔ)上分析了氣體潤(rùn)滑波箔型和多葉型

4、箔片軸承的靜態(tài)特性，包括軸承數(shù)、偏心率、長(zhǎng)徑比等對(duì)軸承載荷性能的影響，軸承數(shù)與摩擦矩的關(guān)系、壓力和氣膜厚度的分布規(guī)律等，根據(jù)實(shí)際箔片軸承結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，專門分析了箔片變形系數(shù)和箔片初始預(yù)變形等因素對(duì)箔片軸承靜態(tài)特性的影響等，提出了通過(guò)適當(dāng)增大箔片初始預(yù)變形來(lái)改善軸承載荷能力的方法。根據(jù)半 Sommerfeld條件，建立了油潤(rùn)滑箔片軸承的油膜厚度模型，與油膜壓力控制 Reynolds方程實(shí)現(xiàn)耦合求解，分析了油潤(rùn)滑波箔型箔片軸承和多葉型箔片軸承各

5、種靜態(tài)性能以及供油壓力對(duì)軸承靜特性的影響。
　　通過(guò)小擾動(dòng)法思想將壓力、潤(rùn)滑膜厚度和箔片徑向變形等按位移和速度擾動(dòng)微量在平衡位置 Taylor展開(kāi)，結(jié)合 Reynolds方程建立起壓力和氣膜厚度關(guān)于擾動(dòng)微量微分的五個(gè)方程組，再通過(guò)箔片變形、膜厚變化與壓力的平衡關(guān)系建立起壓力和膜厚對(duì)擾動(dòng)微量的另外五個(gè)關(guān)系表達(dá)式，聯(lián)立求解上述十個(gè)方程組獲得八個(gè)動(dòng)態(tài)特性系數(shù)。分析了油潤(rùn)滑波箔型箔片軸承和多葉型箔片軸承的動(dòng)態(tài)特性系數(shù)變化規(guī)律，并與相應(yīng)的氣

6、體潤(rùn)滑箔片軸承動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行了對(duì)比研究，包括偏心率、軸承數(shù)、長(zhǎng)徑比以及箔片變形系數(shù)對(duì)箔片軸承動(dòng)特性系數(shù)的影響等。此外，還分析了供油壓力對(duì)箔片軸承動(dòng)特性系數(shù)的影響。結(jié)果表明油潤(rùn)滑箔片軸承的油膜剛度系數(shù)整體上遠(yuǎn)高于氣體潤(rùn)滑箔片軸承的氣膜剛度系數(shù)。采用油潤(rùn)滑箔片軸承的思路，可有效改善箔片軸承的承載能力和運(yùn)轉(zhuǎn)穩(wěn)定性。
　　建立實(shí)際的油潤(rùn)滑多葉型箔片軸承支承的轉(zhuǎn)子系統(tǒng)模型，通過(guò)有限單元法推導(dǎo)出轉(zhuǎn)子系統(tǒng)頻率方程，根據(jù)油膜動(dòng)態(tài)特性計(jì)算方法得到多葉

7、型箔片軸承八個(gè)油膜剛度和阻尼系數(shù)，將其主剛度代入頻率方程，獲得轉(zhuǎn)子系統(tǒng)系列臨界轉(zhuǎn)速。采用 Newmark法分析了油潤(rùn)滑轉(zhuǎn)子-多葉箔片軸承系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)特性，表明推力盤和驅(qū)動(dòng)渦輪不平衡質(zhì)量對(duì)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)穩(wěn)定性產(chǎn)生重要影響，低轉(zhuǎn)速時(shí)非驅(qū)動(dòng)端振動(dòng)幅值大于驅(qū)動(dòng)端，高轉(zhuǎn)速時(shí)驅(qū)動(dòng)端振動(dòng)幅值大于非驅(qū)動(dòng)端，同時(shí)油潤(rùn)滑多葉箔片軸承-轉(zhuǎn)子系統(tǒng)在較高轉(zhuǎn)速仍具有良好的運(yùn)轉(zhuǎn)穩(wěn)定性。
　　設(shè)計(jì)并建立了專門的多葉型油潤(rùn)滑箔片軸承-轉(zhuǎn)子系統(tǒng)試驗(yàn)臺(tái)。設(shè)計(jì)包括油潤(rùn)滑系統(tǒng)、

8、渦輪驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、轉(zhuǎn)子及多葉箔片徑向、止推和混合軸承等內(nèi)容。進(jìn)行了臨界轉(zhuǎn)速試驗(yàn)、低轉(zhuǎn)速范圍和高轉(zhuǎn)速范圍的升降速試驗(yàn)、不同半徑間隙對(duì)穩(wěn)定性影響等試驗(yàn)研究，并獲得了最高超過(guò)10×104轉(zhuǎn)/分的運(yùn)轉(zhuǎn)速度。試驗(yàn)結(jié)果表明，油潤(rùn)滑箔片軸承，實(shí)現(xiàn)了有效降低軸承對(duì)箔片材質(zhì)的屬性、箔片加工制造工藝以及箔片表面鍍層等技術(shù)苛刻要求的目的，同時(shí)采用普通的鈹青銅材質(zhì)，油潤(rùn)滑多葉型箔片軸承亦能實(shí)現(xiàn)較高轉(zhuǎn)速，體現(xiàn)了良好的啟停性能、升降速適應(yīng)能力和抗沖擊振動(dòng)的能力，箔片摩