超声振动承载气膜对电机转子悬浮支承与减摩的研究

设计一种用于支承电机转子的超声波悬浮轴承,该轴承由圆锥形压电换能器辐射端面与连接在电机转子端的圆锥环构成。压电换能器在振动过程中在轴承间隙形成稳定的承载气膜,对电机转子悬浮。对承载气膜产生的承载能力进行分析和测试,获得悬浮力与悬浮间隙之间的关系,从理论上分析在超声悬浮支承条件下,悬浮间隙变化与气膜刚度对电机转速的影响,对转子最高转速与悬浮间隙的关系进行实验研究。结果表明,利用压电换能器圆锥辐射面与圆锥环构造的超声波悬浮轴承,能够形成对电机转子的轴向和径向支承;通过减小悬浮间隙,能够增强间隙气膜的刚度,并提高转子的最高转速,轴承间无摩擦。     

双向支撑超声波悬浮轴承的设计及试验

超声频域下的振动可以形成对物体的悬浮,将这种悬浮用作对轴的支撑即形成为超声波轴承。本文提出一种对轴径向和轴向同时进行悬浮支撑的双向超声波轴承,分析了这种轴承表面超声辐射压力的形成方法,设计了双向支撑轴承结构,并针对不同悬浮间隙下轴的最大转速进行了测试。结果表明轴最高转速达到了8946rpm,当转速过大时由于离心力较大将导致轴与轴承发生碰撞而无法工作,因而做好转子的动平衡对提高双向支撑超声波轴承的工作性能十分重要。     

双向支撑超声波悬浮轴承的设计

设计并给出了一种对轴径向和轴向同时进行支撑的超声波轴承结构,并测试了轴的最大转速.分析了轴承表面超声辐射压力的形成以及超声波轴承的工作原理,在此基础上设计了双向支撑超声波轴承机构,测试了不同悬浮间隙下轴的最大转速.实验结果表明:在轴重85.5 g、悬浮间隙为8.53μm时,轴最高转速达到了8 946 r/min;说明双向支撑超声波轴承结构可以实现对轴的悬浮支撑,且悬浮间隙越小,轴承对轴的支撑刚度越大,轴的工作稳定性越好,转速越高.     

挤压膜轴承静态承载特性研究

为研究超声悬浮轴承的静态承载特性,设计了一种径向包容式超声悬浮气体挤压膜轴承。在分析挤压气膜润滑悬浮机理的基础上,利用曲线拟合方法求解挤压气膜模型曲线和厚度方程,根据黏性气体动力学理论建立了描述挤压气膜压力分布的Reynolds方程。采用有限差分法对挤压气膜的压力方程进行离散与差商替换,利用MATLAB自定义函数的功能对离散后的挤压膜方程进行数值计算,对气体挤压膜轴承的悬浮力进行了仿真并通过试验验证了理论分析的正确性。     

可倾瓦径向气体轴承间隙对其静态性能的影响

采用有限差分法求解三可倾瓦径向气体轴承静态气体润滑方程,得到了稳态时轴瓦与转子表面间的气膜压力分布;在一定静载荷下,计算了不同轴承间隙对应的转子起飞转速及相同工作转速下的最高气膜压力;分析了不同轴承间隙时,转速从起飞转速上升至工作转速过程中转子偏心率和瓦块摆角的变化。结果表明:在一定静载荷下,轴承间隙越大,轴承的最高气膜压力越小,转子的起飞转速越高,偏心率及各瓦块的摆动幅度越大。     

轴系超声波悬浮支撑技术研究

飞轮转速直接影响到飞轮储能系统的储能效率及工作性能,传统轴承摩擦系数大且极限转速较低,制约了飞轮储能系统的发展及应用,悬浮支撑技术为其理想解决方法。超声波悬浮支撑技术利用超声换能器高频振动能在振动表面与轴之间形成一定的悬浮间隙,有效降低摩擦系数,减小摩擦阻力矩,提高轴的转速。通过设计的实验装置,对轴系超声波悬浮支撑间隙进行测试,当悬浮间隙大于两接触表面粗糙度总和时,轴被悬浮起来,压电换能器驱动信号频率为21.34KHz,驱动电压由100V增加到220V,平均悬浮间隙从12.49μm增加到52.97μm。     

压电驱动的超声悬浮精密轴承静动态承载特性

为研究超声悬浮轴承的静、动态承载特性,设计了一种压电陶瓷驱动的全包围结构超声悬浮轴承。分析了气体挤压膜润滑承载机理,在等温隔热条件下,根据牛顿流体的气体动力学理论,建立了描述轴承启动阶段及支撑回转体稳定旋转阶段气膜压力的静、动态雷诺方程。采用有限差分法并利用MATLAB自定义函数的功能,对超声悬浮轴承的静态及动态承载力进行了数值计算。为验证理论计算的正确性,通过轴承样机自悬浮实验验证轴承悬浮特性的理论计算结果,得出在其谐振频率下,相同结构尺寸及悬浮参数的轴承静态承载力理论计算值与测量值之间的误差为8.33%;在挤压数为100,2～5μm合理初始间隙下,动态悬浮力理论计算值与实验测量值相吻合。考虑样机结构特性引起的能量转换误差及实验环境因素影响,误差在合理允许范围之内,验证了理论分析及计算的正确性,对超声悬浮轴承的理论研究及设计具有一定的指导意义。     

气悬浮离心制冷压缩机轴承承载特性分析

离心制冷压缩机是离心式冷水机组的核心设备,对气悬浮离心制冷压缩机轴承承载特性进行分析具有重要意义.在制冷剂流态分析的基础上,采用计算流体动力学软件,计算得到气悬浮离心制冷压缩机轴承的气膜压力分布及承载力.通过分析确认:工质为R134a制冷剂时,气悬浮离心制冷压缩机轴承内部的流态比空气环境复杂,属于层流、湍流共存的混合流态;轴承气膜压力分布规律在R134a制冷剂环境中与在空气环境中基本相同,但是最大气膜压力在R134a制冷剂环境中大于在空气环境中,最小气膜压力在R134a制冷剂环境中小于在空气环境中;在R134a制冷剂环境中,随着偏心率增大,主轴转速提高,轴承宽度增大,最大气膜压力和最小气膜压力都会增大,轴承的承载能力提高.     

单绕组无轴承异步电动机设计及径向悬浮力研究

研究了一种单绕组的无轴承异步电动机的结构及其工作原理。与传统无轴承异步电动机的双绕组结构不同,采用一套绕组即可实现转子的旋转与悬浮。无轴承单绕组异步电动机是一个非线性、多变量、强耦合的复杂系统,要实现其稳定悬浮必须对转子上的径向悬浮力进行实时控制,因此悬浮力绕组的合理设置是单绕组无轴承电动机产生稳定的径向悬浮力的关键。文章对单绕组无轴承异步电动机的径向悬浮力、磁场分布进行了详细分析,并运用有限元软件进行了验证该单绕组无轴承异步电动机可行性。     

五自由度全永磁轴承系统的稳定悬浮特性分析

为探讨永磁悬浮轴承系统的稳定悬浮特性,从轴承刚度角度对五自由度全永磁轴承系统的稳定悬浮特性进行了分析。采用等效磁荷理论建立永磁轴承的承载力、承载力矩和刚度的数学表达式,并利用蒙特卡洛法对表达式中存在的四重积分进行求解。探究转子在受迫进动情况下以及受到外力矩干扰时继续保持稳定旋转所需要的最低临界转速。基于轴向永磁轴承与径向永磁轴承的结构,提出一种六磁环五自由度全永磁轴承系统结构模型,对全永磁轴承的转子系统承受轴向和径向外载荷的承载力、力矩和承载刚度进行分析,得出轴向可以承受外载荷而径向无法承受外载荷,即静态下轴向可以稳定悬浮、径向不能稳定悬浮,符合Earnshaw定理。利用刚性转子的陀螺惯性力矩来承受全永磁轴承系统的不平衡力矩和外力矩,从而保持转子定轴自稳定悬浮,并对系统稳定悬浮特性进行计算,结果表明转子在超过最低临界转速后是可以实现动态稳定悬浮的,具有一定的工程应用价值。     

内插式永磁型无轴承电动机悬浮力模型及其关键参数萃取

为计及内插式永磁型无轴承电动机直交轴电感差异对悬浮运行的影响,实现转子凸极效应下的稳定悬浮运行控制,提出一种建立悬浮力精确模型及其关键参数萃取的新方法。该方法从内插式永磁型无轴承电动机运行原理出发,基于磁场能量方法,建立计及转子凸极影响和定、转子定位偏心的磁悬浮力解析模型。针对模型参数是悬浮力控制及电动机悬浮运行的关键,深入分析该模型中关键参数的获取机理,并通过有限元磁场分析方法实现可控悬浮力和单边磁拉力计算中的参数萃取。在此基础上采用所获取的参数建立内插式永磁型无轴承电动机的有效控制策略,悬浮运行的仿真结果验证参数萃取方法的正确性。     

节流孔分布对矩形止推气浮静压轴承承载力的影响

为了分析矩形止推气浮静压轴承的承载性能,研究节流孔分布结构对轴承承载性能的影响,通过SolidWorks三维建模软件建立了气浮轴承的流场模型。通过FLUENT软件对气浮轴承的流场模型进行仿真分析,求解得到了不同节流孔分布结构的轴承气膜压力分布及其承载力。分析结果表明,在节流孔个数相同的情况下,当分布结构由多组沿圆周方向均匀分布的节流孔组成时,气膜间隙中间的压力更高,气浮轴承的承载力也更大;说明对节流孔分布结构进行优化设计能提高气浮轴承的承载力。     

空气静压止推轴承环面节流孔出口流场数值分析

通过计算流体力学方法对小气膜间隙下环面节流孔出口处气旋大小和压力值与气膜间隙的关系进行数值分析,研究气膜间隙内的压力分布状态,仿真结果表明:节流孔出口处压力最小值位于节流孔边缘靠外一点;气膜间隙内压力值随着半径的增加,先陡降再迅速回升,最后呈线性下降;在节流孔出口处气膜间隙上、下表面出现压力差,气膜间隙越小,上、下表面压力值趋于一致处距节流孔中心距离越近;节流孔出口处气旋大小和气膜间隙内工作面压力降幅与气膜间隙成正比。     

动静压气体轴承-柔性转子系统的动力学特性

针对高速动静压气体轴承 柔性转子系统中存在的气膜振荡现象,考虑轴承供气压力对轴系动力学特性的影响,开展了转子系统动力学特性的实验研究。采用模态实验分析的方法,得到了转子临界转速区域,为升速实验方案的制定以及气膜振荡机理的分析提供依据。采用分岔图、三维谱图、轴心轨迹等非线性振动测试与分析方法,研究了供气压力对气膜振荡特性的影响。实验结果表明,轴承供气压力对转子的升速响应和失稳门槛转速有着重要的影响。随着供气压力的增加,消除了二阶模态气膜振荡,同时,变轴承供气压力方案下1阶模态气膜振荡的幅值比0.4 MPa下1阶模态气膜振荡的幅值小。另外,较高的轴承供气压力能够提供较大的轴承直接刚度,因此,平动、锥动以及1阶弯曲固有频率随轴承供气压力的增加而增加。     

环形节流静压止推气体轴承承载力和刚度分析

为提高大型重载静压气体止推轴承承载力和刚度,应用FLUENT15. 0对直径150 mm的双排孔节流静压气体止推轴承进行模拟,分析供气压力和轴承间隙对止推轴承压力分布以及刚度和承载力的影响,对比分析轴承间隙内的压力变化和流动情况,并通过与文献实验值进行对比,验证了该方法的准确性。结果表明:随着供气压力的增大,轴承上相同位置处的气膜压力增大,刚度和承载力呈线性增加;随着轴承间隙的增加,气体流速出现了从亚音速向超音速的跨越,轴承间隙内气膜压力骤减,轴承的刚度先增大后减小,承载力一直减小,因此,应合理选择轴承间隙,以维持较高的承载力和轴承刚度,且同时避免超音速区域的出现。     

界面滑移对动压气体轴承间隙流动特性的影响*

为揭示转子静子表面流固界面非一致滑移状态下动压气体轴承转静子间隙流动机制以及对轴承性能的影响,建立界面非一致滑移修正雷诺方程,并耦合气膜厚度方程进行超松弛迭代求解,数值分析研究转静侧滑移状态、偏心率、间隙尺寸和耦合弹性箔片对间隙气膜流动特性的影响。结果表明：流固界面滑移状态对转静子间隙流动及其轴承性能具有显著的影响;转子侧滑移发生在压力上升区,这使得高压区压力减小;而静子侧滑移发生在压力下降区,使得高压区压力增大;与无滑移情形相比,局部滑移时间隙气膜压力峰值变化增幅达12%。在研究的参数范围内,随着偏心率减小和间隙高度增大,间隙界面滑移状态逐渐由转子侧滑移占主导向静子侧滑移占主导转变;耦合弹性箔片时,滑移区域增大1~4倍,滑移速度增大2~8倍,间隙气膜压力呈现双峰值分布。     

气垫悬浮运输系统气垫单元承载特性的CFD仿真

气垫悬浮系统利用压缩空气使气垫与地面形成气膜,具有承载力大、对地面破坏小、底盘低、摩擦力小等优点。气垫的承载特性对于搬运系统的设计至关重要,决定着压缩机的功率大小。利用软件对气垫流场进行建模及模型离散化,并利用计算流体动力学分析软件Fluent对气垫单元的承载特性进行了仿真分析。仿真获取了一定厚度气膜下气扩垫内流场压力、速度云图,同时分析得到了气垫承载力和供气量等技术参数与供气压力、气膜厚度、进气孔径等气垫设计参数之间的匹配关系,为气垫搬运系统的设计提供理论支持。     

小型无轴承永磁薄片电动机设计

针对小型无轴承永磁薄片电动机的设计要求，基于理论计算与有限元仿真设计定、转子，并以转矩和悬浮力为目标设计电动机转矩绕组与悬浮绕组，以转子旋转坐标系为基础设计转子悬浮力直接控制策略。建立仿真模型对转子起浮及电动机升速过程进行仿真，仿真分析表明电动机起浮响应速度快，运行稳定。并搭建试验台进行验证，试验结果表明转子静浮时振动不超过±5μm,转速达到2 000 r/min时振动不超过±40μm,实现了电动机的稳定悬浮及旋转。     

异步电动机深沟球轴承-转子系统振动特性研究

以某型异步电动机的深沟球轴承-转子系统为研究对象,在考虑了轴承非线性支承力的基础上对异步电动机转子系统的非线性振动问题展开研究。基于拉格朗日方程建立轴承-转子系统动力学模型,利用变步长龙格-库塔法对模型的微分方程组进行求解。分析了电动机转速、系统阻尼、轴承径向游隙和钢球数对转子系统非线性振动特性的影响,结果表明:在不同电动机转速和轴承径向游隙的影响下,系统动力学响应形式具有多样性,系统在拟周期运动和跳跃性倍周期分岔时的振幅较大,合理选择电动机转速和轴承径向游隙,增加系统阻尼和轴承钢球数,有利于系统运行状态的稳定性并减小有害振动。     

人字槽径向气体动压润滑轴承特性分析

建立人字槽径向气体动压润滑轴承的数学模型,采用局部积分有限差分法在不连续求解域内推导出气体润滑Reynolds方程的差分形式,通过求解获得轴承间隙内的气膜厚度、气膜压力、轴承承载力等状态特性,并分析径向间隙、螺旋角、槽深比、槽宽比和槽数等轴承几何结构参数以及转速等工况条件变化对轴承承载能力的影响规律。结果表明:人字槽轴承的压力在圆周方向呈锯齿形分布,人字形压力带环抱在轴颈上,使轴承在各个方向上均能承载,从而提高了轴承的抗振性和平稳性;增大偏心率,减小气膜间隙,增大螺旋角,减小槽深,增加槽宽比,适当增加槽数,均可提高轴承承载力;人字槽结构能够更好地实现气体动压润滑轴承动压效应,提高了轴承的承载能力和稳定性能。