轉(zhuǎn)子—箔片軸承系統(tǒng)動力學(xué)特性理論及試驗研究.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使得箔片軸承具有許多突出的優(yōu)點，如自適能力強、轉(zhuǎn)速高、耐高溫、低摩擦損失以及良好的運轉(zhuǎn)穩(wěn)定性等。箔片軸承在低溫、制冷、航空、航天以及國防等領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用價值和廣闊的發(fā)展前景，在發(fā)達國家(如美國等)，箔片軸承已經(jīng)被成功地應(yīng)用到 F-16、F-18等戰(zhàn)斗機、B-1B和 B-2型戰(zhàn)略轟炸機、SAAB-2000和波音777等

2、飛行器上的空氣制冷機械中。但此前箔片軸承研究和應(yīng)用均以氣體(或液氧、液氮)作為潤滑介質(zhì)，這對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一步發(fā)展和應(yīng)用。鑒于此，本文提出采用油作潤滑介質(zhì)的箔片軸承思路，達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，將油潤滑箔片軸承和氣體潤滑箔片軸承進行對比研究，最后設(shè)計、建立了專門的多葉油潤滑箔片軸承-轉(zhuǎn)子系

3、統(tǒng)試驗臺，進行了系列試驗研究。
　　在建立氣膜厚度模型的基礎(chǔ)上，采用有限差分和 Newton-Raphson迭代方法實現(xiàn)了耦合求解壓力控制 Reynolds方程和氣膜厚度方程組，將計算結(jié)果與通過公開發(fā)表的文獻和實驗數(shù)據(jù)對比驗證了計算方法的可行性和求解程序的正確性。對比分析氣體動壓箔片軸承和傳統(tǒng)剛性表面氣體軸承壓力和氣膜厚度分布特點，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轉(zhuǎn)穩(wěn)定性。在此基礎(chǔ)上分析了氣體潤滑波箔型和多葉型

4、箔片軸承的靜態(tài)特性，包括軸承數(shù)、偏心率、長徑比等對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)實際箔片軸承結(jié)構(gòu)特點，專門分析了箔片變形系數(shù)和箔片初始預(yù)變形等因素對箔片軸承靜態(tài)特性的影響等，提出了通過適當(dāng)增大箔片初始預(yù)變形來改善軸承載荷能力的方法。根據(jù)半 Sommerfeld條件，建立了油潤滑箔片軸承的油膜厚度模型，與油膜壓力控制 Reynolds方程實現(xiàn)耦合求解，分析了油潤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軸承靜特性的影響。
　　通過小擾動法思想將壓力、潤滑膜厚度和箔片徑向變形等按位移和速度擾動微量在平衡位置 Taylor展開，結(jié)合 Reynolds方程建立起壓力和氣膜厚度關(guān)于擾動微量微分的五個方程組，再通過箔片變形、膜厚變化與壓力的平衡關(guān)系建立起壓力和膜厚對擾動微量的另外五個關(guān)系表達式，聯(lián)立求解上述十個方程組獲得八個動態(tài)特性系數(shù)。分析了油潤滑波箔型箔片軸承和多葉型箔片軸承的動態(tài)特性系數(shù)變化規(guī)律，并與相應(yīng)的氣

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

7、型箔片軸承八個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法分析了油潤滑轉(zhuǎn)子-多葉箔片軸承系統(tǒng)的動力學(xué)特性，表明推力盤和驅(qū)動渦輪不平衡質(zhì)量對轉(zhuǎn)子系統(tǒng)穩(wěn)定性產(chǎn)生重要影響，低轉(zhuǎn)速時非驅(qū)動端振動幅值大于驅(qū)動端，高轉(zhuǎn)速時驅(qū)動端振動幅值大于非驅(qū)動端，同時油潤滑多葉箔片軸承-轉(zhuǎn)子系統(tǒng)在較高轉(zhuǎn)速仍具有良好的運轉(zhuǎn)穩(wěn)定性。
　　設(shè)計并建立了專門的多葉型油潤滑箔片軸承-轉(zhuǎn)子系統(tǒng)試驗臺。設(shè)計包括油潤滑系統(tǒng)、

8、渦輪驅(qū)動系統(tǒng)、轉(zhuǎn)子及多葉箔片徑向、止推和混合軸承等內(nèi)容。進行了臨界轉(zhuǎn)速試驗、低轉(zhuǎn)速范圍和高轉(zhuǎn)速范圍的升降速試驗、不同半徑間隙對穩(wěn)定性影響等試驗研究，并獲得了最高超過10×104轉(zhuǎn)/分的運轉(zhuǎn)速度。試驗結(jié)果表明，油潤滑箔片軸承，實現(xiàn)了有效降低軸承對箔片材質(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，同時采用普通的鈹青銅材質(zhì)，油潤滑多葉型箔片軸承亦能實現(xiàn)較高轉(zhuǎn)速，體現(xiàn)了良好的啟停性能、升降速適應(yīng)能力和抗沖擊振動的能力，箔片摩