【摘要】：動(dòng)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(yīng)用于渦輪膨脹機(jī)等高速旋轉(zhuǎn)機(jī)械中,對于這類軸承的靜、動(dòng)態(tài)性能以及相應(yīng)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)行為進(jìn)行系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)和理論研究,是軸承設(shè)計(jì)和使用的關(guān)鍵,對提高軸承性能和擴(kuò)大其應(yīng)用范圍有重要意義。本文給出了可傾瓦動(dòng)壓氣體軸承靜、動(dòng)態(tài)性能的計(jì)算方法,以及可傾瓦軸承-轉(zhuǎn)子系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)行為的分析方法,并在此基礎(chǔ)上率先建立了引入壓電作動(dòng)器和PID反饋控制系統(tǒng)的可傾瓦軸承-轉(zhuǎn)子系統(tǒng)振動(dòng)的主動(dòng)控制模型,實(shí)現(xiàn)了對系統(tǒng)不平衡響應(yīng)的最優(yōu)控制。此外,本文還結(jié)合國家“863”項(xiàng)目,建立實(shí)驗(yàn)臺(tái)對彈性箔片動(dòng)壓氣體軸承的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)性能進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。本文的主要研究內(nèi)容為: 1.在采用有限元法迭代求解動(dòng)壓氣體潤滑靜態(tài)Reynolds方程的基礎(chǔ)上,計(jì)算了可傾瓦動(dòng)壓氣體軸承的靜態(tài)性能并進(jìn)行了有限元仿真,詳細(xì)討論了軸承預(yù)負(fù)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(dǎo)數(shù)法在復(fù)數(shù)域內(nèi)求解動(dòng)壓氣體潤滑的動(dòng)態(tài)Reynolds方程,給出了軸瓦和軸頸同頻擾動(dòng)時(shí)可傾瓦軸承的動(dòng)態(tài)剛度和阻尼系數(shù)的兩種計(jì)算方法,通過計(jì)算結(jié)果的對比說明了這兩種計(jì)算方法的有效性。借助數(shù)值仿真結(jié)果,討論了軸承參數(shù)對軸承動(dòng)態(tài)系數(shù)的影響,并首次全面解釋了軸頸和軸瓦的動(dòng)態(tài)擾動(dòng)頻率對可傾瓦動(dòng)壓氣體軸承的動(dòng)態(tài)剛度和阻尼系數(shù)的影響,以及它們各自在軸承動(dòng)態(tài)系數(shù)中所起的作用。 3.應(yīng)用極限理論,計(jì)算了擾動(dòng)頻率Ω→0+和Ω→+∞時(shí)可傾瓦軸承的動(dòng)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(jì)算方法,使得在全頻率范圍內(nèi)研究可傾瓦動(dòng)壓氣體軸承的動(dòng)態(tài)性能成為可能。 4.依據(jù)運(yùn)動(dòng)方程中是否包含軸瓦的擺動(dòng)自由度,建立了可傾瓦軸承-柔性轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的兩種動(dòng)力學(xué)計(jì)算模型,并在考慮軸承動(dòng)態(tài)系數(shù)的頻率效應(yīng)的前提下,根據(jù)求得的系統(tǒng)特征值分析了轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的穩(wěn)定性,完善了可傾瓦動(dòng)壓氣體軸承-轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析。結(jié)果表明,這兩種計(jì)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(jié)果是一致的。 5.通過引入壓電作動(dòng)器和PID反饋控制系統(tǒng),率先建立了可傾瓦軸承-轉(zhuǎn)子系統(tǒng)振動(dòng)的主動(dòng)控制模型,應(yīng)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(shí)現(xiàn)了轉(zhuǎn)子系統(tǒng)不平衡響應(yīng)的有效抑制,為進(jìn)一步改善可傾瓦軸承-轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的穩(wěn)定性提供了理論基礎(chǔ)。 6.搭建了彈性箔片動(dòng)壓氣體軸承的多功能測試實(shí)驗(yàn)臺(tái),給出了彈性箔片動(dòng)壓氣體軸承靜、動(dòng)態(tài)性能的測試方法。將摩擦力矩法和位移響應(yīng)頻譜法相結(jié)合,較精確地識(shí)別出了徑向軸承的起飛轉(zhuǎn)速,采用最小二乘法在時(shí)域內(nèi)計(jì)算了徑向軸承的動(dòng)態(tài)剛度和阻尼系數(shù),重點(diǎn)分析了激振頻率對軸承動(dòng)態(tài)系數(shù)的影響,并應(yīng)用位移響應(yīng)頻譜法解決了彈性箔片止推軸承起飛轉(zhuǎn)速實(shí)驗(yàn)識(shí)別的難題。
【學(xué)位授予單位】：西安交通大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2009
【分類號(hào)】：TH133.35
【圖文】：

結(jié)構(gòu)簡圖見圖1-1。當(dāng)系統(tǒng)承受載荷時(shí)，各片軸瓦都會(huì)根據(jù)載荷的大小來補(bǔ)償氣膜厚度的改變，并產(chǎn)生相應(yīng)的氣膜壓力來與之平衡，以達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。可傾瓦軸承由于各軸瓦均能自由傾斜，進(jìn)行自動(dòng)調(diào)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(zhuǎn)機(jī)械中得到

了廣泛應(yīng)用[16]，特別是在高速透平機(jī)械中日益受到青睞。隨著動(dòng)壓氣體軸承透平膨脹機(jī)在低溫系統(tǒng)應(yīng)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(yùn)轉(zhuǎn)，且能耐沖擊、耐振動(dòng)、易于制造。可傾瓦動(dòng)壓氣體軸承以其特有的優(yōu)點(diǎn)滿足了這種要求[17-18]。彈性箔片氣體軸承是動(dòng)壓氣體軸承的另一種重要形式，它存在多種結(jié)構(gòu)形式[19-20]，典型結(jié)構(gòu)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(gòu)成。彈性箔片氣體軸承由于采用彈性支承表面，具有很強(qiáng)的自適應(yīng)性，在氣體動(dòng)壓的作用下軸承表面會(huì)發(fā)生彈性變形以適應(yīng)氣膜間隙中壓力場的變化。軸承結(jié)構(gòu)的阻尼效應(yīng)可以有效地抑制軸承-轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的自激渦動(dòng)和低頻渦動(dòng)，且因其表面的柔性，也能有效地降低轉(zhuǎn)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(dòng)沖擊、啟停性能好、產(chǎn)品可修復(fù)性好、可在存在污物與水分的環(huán)境下運(yùn)行等優(yōu)點(diǎn)而在氣體循環(huán)機(jī)、高速渦輪機(jī)械和高速透平機(jī)械中具有良好的發(fā)展?jié)摿蛻?yīng)用前景[14, 21-25]。綜上所述，氣體軸承，尤其是可傾瓦動(dòng)壓氣體軸承和彈性箔片動(dòng)壓氣體軸承在旋轉(zhuǎn)機(jī)械中具有可觀的應(yīng)用前景。因此，對這些軸承的理論和實(shí)驗(yàn)研究具有重要的工程意義。

西安交通大學(xué)博士學(xué)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(shí)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(zhuǎn)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(gè)端面的氣膜壓力與環(huán)境壓力相同。

【引證文獻(xiàn)】

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4 熊文濤;柔性鉸鏈可傾瓦軸承設(shè)計(jì)與性能研究[D];山東大學(xué);2016年

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本文編號(hào)：2745624