【摘要】：箔片氣體軸承是一種自適應式柔性支承的動壓軸承,它具有諸多的優(yōu)點,能夠解決傳統(tǒng)油軸承在應用方面的許多限制,實現(xiàn)機械設備的“無油化”。目前在國外已成功在透平旋轉機械、微型壓縮機系統(tǒng)、空氣循環(huán)系統(tǒng)等特殊領域得到應用,但是國內對于箔片氣體軸承在實際應用方面的研究是比較少。因此本文依托于車用燃料電池用雙葉輪空氣壓縮機的合作項目,探索利用箔片氣體軸承技術搭建無油高速空氣壓縮機模擬實驗臺,用于研究箔片軸承應用在高速旋轉機械領域的可行性。本文主要對以下幾個方面進行了研究:(1)在傳統(tǒng)旋轉透平機械的基礎上,使用箔片氣體軸承作為轉子系統(tǒng)的支承,提出一種無油高速空氣壓縮機模擬實驗臺的設計理念。同時還詳細論述了實驗臺轉子系統(tǒng)及附屬結構的設計過程。(2)對第一代波箔型徑向氣體軸承和推力氣體軸承結構參數(shù)的設計過程進行了詳細的論述。首先利用經驗公式和計算程序對軸承的承載能力和靜動態(tài)特性分別進行了預測,然后通過建立有限元模型對轉子系統(tǒng)的性能進行了分析。計算結果表明:轉子系統(tǒng)各階次臨界轉速沒有在實驗臺所設計的工作轉速范圍內,而且在整個設計工作轉速范圍內轉子系統(tǒng)將不會發(fā)生失穩(wěn)的現(xiàn)象,在理論上完全滿足設計要求。(3)對所設計的徑向和推力箔片軸承進行了加工和簡單的磨合實驗,同時還搭建了專門用于研究徑向箔片氣體軸承特性的實驗臺,在變轉速和變載荷的條件下對徑向軸承進行了實驗研究。其實驗結果表明實驗軸承的起飛轉速一般在1 0,0 0 0 r p m左右,而且隨著施加靜載荷的增加而增大;實驗軸承的摩擦阻力矩和溫升也表現(xiàn)出隨轉速和載荷增加呈增大的趨勢。(4)加工和搭建了無油高速空壓機模擬實驗臺和測試系統(tǒng)。在不同的工作轉速下對實驗臺進行多次實驗,繪制了軸承溫度特性圖和轉速圖,并使用兩個時域波形創(chuàng)建出不同實驗條件下的軸心軌跡圖。實驗結果發(fā)現(xiàn):轉子系統(tǒng)同步振動量非常大;徑向箔片軸承的頂箔表面有磨損痕跡存在,而推力箔片軸承沒有出現(xiàn)明顯的磨損。最后對轉子性能和造成軸承出現(xiàn)磨損的原因進行了分析。
[Abstract]:Foil gas bearing is a kind of dynamic pressure bearing with adaptive flexible support, which has many advantages, can solve many limitations of traditional oil bearing in application, and realize the "oil-free" of mechanical equipment. At present, it has been successfully applied in turbine rotating machinery, micro compressor system, air circulation system and other special fields, but the domestic research on the practical application of foil gas bearings is relatively few. Therefore, based on the cooperative project of double impeller air compressor for vehicle fuel cell, this paper explores the use of foil gas bearing technology to build oil-free high-speed air compressor simulation experimental platform. It is used to study the feasibility of foil bearing in the field of high speed rotating machinery. In this paper, the following aspects are studied: (1) on the basis of traditional rotating turbine machinery, foil gas bearing is used as the support of rotor system, and a design concept of oil-free high-speed air compressor simulation test platform is put forward. At the same time, the design process of rotor system and auxiliary structure of the experimental platform is discussed in detail. (2) the design process of the structural parameters of the first generation wave foil radial gas bearing and thrust gas bearing is discussed in detail. Firstly, the bearing capacity and static and dynamic characteristics of the bearing are predicted by using the empirical formula and the calculation program, and then the performance of the rotor system is analyzed by establishing the finite element model. The calculation results show that the critical speed of each order of the rotor system is not within the working speed range designed by the experimental platform, and the instability of the rotor system will not occur in the whole designed working speed range. In theory, it fully meets the design requirements. (3) the designed radial and thrust foil bearings are machined and simply run-in experiments, and an experimental platform specially used to study the characteristics of radial foil gas bearings is built. The experimental study of radial bearing is carried out under the condition of variable speed and variable load. The experimental results show that the take-off speed of the experimental bearing is about 100 r p m, and increases with the increase of static load. The friction resistance moment and temperature rise of the experimental bearing also increase with the increase of rotating speed and load. (4) the simulation test bench and test system of oil-free high-speed air compressor are machined and built. Many experiments were carried out on the experimental platform at different working speeds, and the bearing temperature characteristic diagram and rotating speed diagram were drawn, and the axial center trajectory diagrams under different experimental conditions were created by using two time domain waveforms. The experimental results show that the synchronous vibration of the rotor system is very large, and there are wear marks on the top foil surface of the radial foil bearing, but there is no obvious wear of the thrust foil bearing. Finally, the performance of the rotor and the causes of bearing wear are analyzed.
【學位授予單位】：湖南大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：U467.523

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本文編號：2481048