第1章 緒論

1.1  課題的背景、研究的目的及意義
旋轉(zhuǎn)機械在航空航天、制冷、農(nóng)業(yè)、石油工業(yè)等行業(yè)中取得了廣泛應(yīng)用，因此人們對軸承提出了越來越高的要求：高轉(zhuǎn)速和高精度之外，更要求其能夠在高、低溫等極端工作環(huán)境中有良好的表現(xiàn)。傳統(tǒng)的滾動軸承、液體滑動軸承由于具有較高的承載能力、較好的穩(wěn)定性等優(yōu)點而被普遍應(yīng)用于各種機械設(shè)備中，但是內(nèi)部結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性、滾動體在高速運轉(zhuǎn)時產(chǎn)生的離心力以及軸承發(fā)熱等因素也限制滾動軸承向超高精度、超高速度等方向的發(fā)展，成為精密工程、航天、制冷設(shè)備領(lǐng)域發(fā)展的瓶頸。 氣體軸承利用空氣壓力使轉(zhuǎn)子浮起，并采用空氣作為潤滑劑，它具有高轉(zhuǎn)速、高精度、耐寒、耐熱、低摩擦、無污染、使用壽命長等特點[1]  。1854 年，法國學(xué)者赫恩提出由空氣充當潤滑介質(zhì)，這是氣體潤滑理論最初的構(gòu)想。20 世紀初，隨著精密工程的發(fā)展與需求，氣體潤滑技術(shù)得到了新的發(fā)展并逐漸受到了人們的重視。通過氣體壓力是由氣體本身運動產(chǎn)生還是外界施加，人們將氣體軸承區(qū)分為氣體動壓軸承和靜壓軸承。其中靜壓氣體軸承需要供氣系統(tǒng)產(chǎn)生的高壓氣體實現(xiàn)承載與潤滑，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性也限制了靜壓軸承在一些領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。動壓氣體軸承理論上是通過轉(zhuǎn)子與轉(zhuǎn)套之間形成的楔形間隙形成動壓氣膜實現(xiàn)承載，無需專門的供氣系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)較輕巧方便[2]。 彈性動壓箔片軸承中裝有彈性箔片，彈性箔片上產(chǎn)生動壓氣膜并引起彈性變形。由于彈性元件的作用，箔片結(jié)構(gòu)的變形能夠減弱轉(zhuǎn)子不對中因素以及其他形式的裝配誤差，提高了軸承的適應(yīng)能力。當轉(zhuǎn)子出現(xiàn)擾動時，箔片結(jié)構(gòu)的阻尼特性能夠抑制這種振動或能量，通過摩擦或結(jié)構(gòu)變形將擾動能量釋放，使轉(zhuǎn)子系統(tǒng)運轉(zhuǎn)。近些年，各交叉學(xué)科的誕生給箔片軸承的研究提供了新的思路，其中材料學(xué)科、金屬熱處理工藝、精密加工工藝等方向的引入大大提高了此類軸承的性能，并在高速重載機械設(shè)備以及一些極限條件下的機械設(shè)備中占有一席之地[3]。氣浮軸承以空氣作為潤滑介質(zhì)，避免固體或液體表面直接接觸，因此獲得了極小的摩擦轉(zhuǎn)矩，這使得轉(zhuǎn)子系統(tǒng)運轉(zhuǎn)輕巧靈活，易啟動易控制。 
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1.2  徑向波箔氣體動壓軸承研究現(xiàn)狀
波箔軸承的研究至今已有五六十年的發(fā)展，起初是由國外提出并開始研制，國外學(xué)者提供了大量的軸承設(shè)計結(jié)構(gòu)樣式以及建模方法。從箔片軸承提出至今，波箔軸承的類型演變出了以下幾種形式： （1）第一代波箔型動壓氣體軸承    圖 1-1 所示為第一代波箔軸承的結(jié)構(gòu)。軸承主要零件有：平箔片、波紋箔片和軸承套。其中平箔片與波箔片一段固定于軸承套，另一端可沿著周向自由滑動，并且兩種箔片構(gòu)成波箔軸承中的彈性箔片結(jié)構(gòu)，在載荷力的作用下一起發(fā)生變形 上世紀八十年代，第一代波箔軸承被成功地在波音 747 的制冷空氣循環(huán)系統(tǒng)中。后來，Hamilton 在第一代軸承的基礎(chǔ)上在第一代軸承中平箔片與頂箔片之間加入中間箔片，形成了多層結(jié)構(gòu)，如圖 1-2 所示，提高了箔片結(jié)構(gòu)的整體剛度。這三層箔片能夠形成雙層彈性支承，相當于兩層彈簧系統(tǒng)并聯(lián)，提高了軸承抗震能力，多層箔片結(jié)構(gòu)能使剛度變化更加均勻，防止剛度突變。1982 年，這種軸承成功應(yīng)用于 F22 戰(zhàn)斗機的空氣制冷設(shè)備中。
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第2章 徑向波箔氣體動壓軸承理論建模

2.1  引言
波箔型軸承的變形計算涉及的彈性箔片結(jié)構(gòu)都為非剛性體，較難進行數(shù)學(xué)建模。而它在工作時摩擦產(chǎn)生的熱變形以及阻尼等也使得準確建立它的數(shù)學(xué)模型和受力模型比較困難。目前波箔型空氣軸承的研究難點主要集中于氣膜壓力引起的彈性變形與 Reynolds 方程之間的流固耦合的相關(guān)問題上。 本章對波箔徑向軸承中的箔片結(jié)構(gòu)的建模方法進行了闡述。對于頂層平箔片，分別介紹一位梁模型和二維板模型的建模方法。分別采用最小勢能法和伽遼金法推導(dǎo)單元剛度矩陣。對于波箔片，分析波紋單元的形狀特點，通過多個直梁單元固接進行近似建模，重點分析端點的滑移狀態(tài)與受力狀態(tài)。計算其變形和剛度，并與文獻中的經(jīng)典理論模型結(jié)果進行比對。
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2.2  徑向軸承工作原理 
如圖 2-1 所示為第一代徑向波箔氣體動壓軸承的結(jié)構(gòu)簡圖。平箔與波箔搭接，一段固定于軸承套內(nèi)壁，另一端不進行約束，箔片段與軸承內(nèi)圈表面接觸。平箔片表面產(chǎn)生動壓氣膜，它與轉(zhuǎn)子之間的氣膜厚度決定了氣膜壓力，而平箔片表面質(zhì)量、摩擦力對軸承啟停瞬間的磨損有著較大的影響。 當轉(zhuǎn)子開始高速轉(zhuǎn)動時，轉(zhuǎn)子在軸承內(nèi)孔中靠靜摩擦力滾動，滾動到一定高度轉(zhuǎn)子與軸套分離，由于轉(zhuǎn)子半徑小于軸承套內(nèi)孔半徑，轉(zhuǎn)子與平箔表面產(chǎn)生偏心距，中間形成收斂型間隙，產(chǎn)生動壓氣膜。按照 Reynolds 方程的闡述條件，氣膜壓力的產(chǎn)生需要以下幾個條件：（1）相對運動表面要形成收斂楔形間隙；（2）兩楔形間隙中存在著具有粘性的流體；（3）在相對運動的固體表面的帶動下，粘性流體從楔形間隙的大端進入，小段流出。 如圖 2-1 所示，軸頸在載荷壓力的作用下發(fā)生偏心位移，因此其與軸承套內(nèi)圈表面形成了收斂性間隙。隨著軸頸的旋轉(zhuǎn)（圖中為逆時針），軸頸表面的粘性束縛表面空氣，使之沿線速度方向運動，如圖 2-2 所示，氣體進入收斂空間產(chǎn)生了動壓氣膜壓力。隨著轉(zhuǎn)速提高，氣膜壓力也逐漸增加，直至壓力能夠使軸頸與軸承殼內(nèi)壁完全分離。 
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第 3 章  徑向波箔軸承靜特性的分析......... 30 
3.1  引言 ....... 30 
3.2  壓力方程與氣膜間隙分布的推導(dǎo) .... 30 
3.3  求解 Reynolds 方程 ......... 33
3.4  本章小結(jié) ........ 42 
第 4 章  波箔止推軸承靜態(tài)特性的計算與仿真........... 44 
4.1  引言 ....... 44 
4.2  止推軸承氣體潤滑方程的推導(dǎo) ........ 44
4.3  波箔型止推軸承靜態(tài)特性分析 ........ 51 
4.3.1  計算程序驗證分析 ........... 51 
4.3.2  軸承靜態(tài)特性分析 ........... 52 
4.4  本章小結(jié) ........ 57 
第 5 章  軸承測試實驗平臺的搭建及軸承特性實驗研究.... 58 
5.1  引言 ....... 58 
5.2  軸承測試試驗平臺的搭建 ....... 58 
5.3  徑向軸承加工方法的探究 ....... 59 
5.3.1  主要零件的結(jié)構(gòu)設(shè)計 ....... 59 
5.3.2  箔片的成型方法 ...... 60 
5.3.3  箔片的熱處理辦法 ........... 62 
5.3.4  徑向波箔軸承的裝配 ....... 63 
5.4  徑向軸承靜態(tài)特性實驗結(jié)果 ............ 64 
5.5  止推軸承靜態(tài)特性實驗結(jié)果與分析 ......... 65 
5.6  本章小結(jié) ........ 68   

第5章 軸承測試實驗平臺的搭建及軸承特性實驗研究

5.1  引言
為了驗證前文對于徑向軸承與止推軸承的理論分析的正確性與可靠性，需要對徑向軸承和止推軸承進行進一步的實驗研究。首先要搭建用于測量兩類軸承的實驗平臺，選取合適的電主軸與相應(yīng)的測量系統(tǒng)。對徑向波箔軸承的加工工藝展開研究，設(shè)計軸承套、波箔模具、中心套筒等關(guān)鍵零件。在實驗室已有對于止推軸承實驗研究的基礎(chǔ)上，繼續(xù)探究出口氣膜厚度、箔片厚度以及鍍層對軸承性能的影響，并與第 4 章結(jié)論進行對比驗證。

5.2  軸承測試試驗平臺的搭建

圖 5-1 所示為軸承測試實驗平臺系統(tǒng)示意圖，實驗平臺由高速電主軸、控制系統(tǒng)、空氣壓縮機、冷水機、測量系統(tǒng)五部分組成。其中高速電主軸來自于企業(yè)制造的專業(yè)氣浮主軸，實物如圖 5-4 所示，，轉(zhuǎn)速最高可以達到 12 萬  rpm。圖 5-2  a）和圖 5-2 b）分別為徑向軸承和止推軸承測試實驗平臺，對于兩種軸承，其沿著載荷方向的位移由高精度球桿儀來測量，摩擦力矩采用高精密天平通過傳力桿來間接測量。徑向軸承實驗載荷通過鋼絲懸掛重物來施加，止推軸承載荷通過采用螺旋推力計在靜壓氣浮軸承伸出端處施加。 

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結(jié)   論

盡管近年來箔片氣體動壓軸承技術(shù)在我國取得了快速發(fā)展，并且國內(nèi)，部分產(chǎn)品已經(jīng)成功被開發(fā)出來并應(yīng)用到工程中，但是無論其應(yīng)用的廣度還是對軸承技術(shù)研究的深度尚與國外有差距。本文針對箔片軸承中的波箔型徑向軸承和止推軸承分別展開研究。分別建立兩種軸承的氣體 Reynolds 方程和箔片變形方程，計算了軸承相關(guān)的靜態(tài)特性，得到軸承的靜態(tài)參數(shù)。在實驗方面，設(shè)計并加工徑向軸承的各部分零件，探討箔片結(jié)構(gòu)的成型與熱處理工藝；對止推軸承更改關(guān)鍵參數(shù)，加工出了一系列具有不同參數(shù)特性的軸承。 主要結(jié)論如下： 
（1）基于歐拉梁模型，建立了考慮庫倫摩擦力的波箔變形力學(xué)模型，設(shè)計了判斷摩擦力狀態(tài)的算法。通過對波箔結(jié)構(gòu)加載計算發(fā)現(xiàn)：波箔結(jié)構(gòu)的剛度隨著載荷形式、大小的變化而變化，在靠近固定端一側(cè)，波箔滑移趨勢較小，靜摩擦狀態(tài)的幾率較大；隨著摩擦系數(shù)的增加，波紋單元滑移條件更不易滿足，剛度越大。 
（2）完成了徑向波箔軸承的氣彈耦合計算，在傳統(tǒng)氣彈耦合計算的基礎(chǔ)上，將考慮庫倫摩擦效應(yīng)的模型融入到耦合計算中，得到了相關(guān)的靜態(tài)特性：由于波箔結(jié)構(gòu)對箔片整體剛度的貢獻，氣膜厚度的變化隨著波箔剛度增大而減��；氣彈耦合承載力計算值要小于剛性動壓軸承；與線彈簧模型對比，本模型的承載特性結(jié)論與文獻實驗數(shù)據(jù)誤差更小，因此更加可靠準確； 
（3）推導(dǎo)止推軸承的靜態(tài)特性方程和計算流程，得到了節(jié)距比、氣膜厚度、箔片剛度對止推軸承靜特性的影響規(guī)律，發(fā)現(xiàn)：節(jié)距比對承載力的影響存在最優(yōu)值；出口氣膜厚度提高會削弱高壓氣膜，降低承載力，而入口氣膜厚度對承載力存在最優(yōu)值；波箔支撐剛度能夠降低箔片變形，提高承載力，但是過高剛度會降低軸承的阻尼和穩(wěn)定性.
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參考文獻(略)

本文編號：42766