单可倾瓦动静压轴承的模型及性能调控研究

为了实现精密机床主轴轴承的高刚度及其性能的可调可控,提出了一种单可倾瓦动静压轴承,将普通动静压轴承的一个油腔替换为可倾瓦块,利用可倾瓦的动压及与其油腔的静压共同承载。建立了新型动静压轴承的润滑模型,提出轴承平衡点计算方法,计算了不同工况参数下的轴承性能,包括刚度和最小膜厚。在此基础上,分析了预负荷系数和支点系数对轴承性能的调控规律。通过可倾瓦支点的调控作用,当支点系数0.75、预负荷系数0.5时,轴承的刚度可达到2 700 N/μm,满足机床主轴系统对轴承的高刚度要求。     

分布式双向可倾瓦动静压推力轴承的静动特性研究

针对机床主轴对推力轴承的高刚度与高精度要求,用可倾瓦块代替部分静压油垫,提出了一种由可倾瓦块和静压油腔联合承载的分布式双向可倾瓦动静压推力轴承.首先建立了分布式双向可倾瓦动静压轴承的润滑模型,提出了基于平衡点性能合成的轴承静动特性计算方法.针对案例轴承对节流器的结构参数进行了优化,分析了载荷、转速、单边间隙和预负荷系数等因素对轴承性能的影响规律,包括刚度、偏心距和温升等轴承静动特性.结果 表明:在合理的参数条件下,该新型可倾瓦动静压轴承的刚度和精度优于双向静压推力轴承,而可倾瓦动压油膜与油腔静压油膜之间的解耦特征,也有利于通过可倾瓦支点进行轴承性能调控.     

流体支点浮瓦轴承初始工作机理分析及单瓦承载浮起特性研究

开展自生静压流体支点浮动可倾瓦轴承的润滑机理及浮起特性研究.首先推导考虑内层静压孔与外层静压腔之间的流量连续方程,提出内外层油膜厚度公式.采用有限元方法求解内层动压润滑与外层流体静压润滑Reynolds方程,分析了流体支点浮动瓦轴承初始工作机理,得出轴瓦浮起需要满足两个要求的重要结论:第一轴瓦外层具有一定的初始间隙,第二应满足一定的静压腔面积比的要求.在理论上分析了一种轴颈为100 mm的流体支点轴承,在轴承初始工作状态下,如果要满足轴瓦浮起条件,其静压腔面积比取值范围应为0.16至0.18之间.在此基础上采用Newton-Rapson法建立单瓦流体支点轴承数值迭代计算模型,分析了在单块流体支点浮动瓦承载形式时轴承静态特性随偏心率变化规律,发现在单瓦承载情况下,底瓦浮起高度与静压孔流量比随着偏心率增大而逐渐减小;在相同偏心率下,静压孔直径增大,浮起高度与静压孔流量都相应随至增大.静压腔压力、瓦块承载力、内层最大油膜压力以及内层摩擦功耗都是随着偏心率的增大而逐渐增大;此外外层摩擦功耗随着偏心率增大而增幅较小,并且在较高偏心率下,逐渐稳定,其中内层摩擦功耗比外层摩擦功耗大得多;当流体支点单瓦承载时,轴承受到静态载荷作用下,瓦块摆动角度是为0°.通过与已有文献的试验数据进行对比分析,验证了本文计算模型的准确性.     

可控节流参数对液体静压轴承特性的影响研究

节流器是液体静压主轴的核心元件,其节流特性对液体静压主轴的刚度和回转精度具有直接影响。针对现有节流器在主轴工作时节流特性不可控的不足,提出一款预压预调型可控节流器。在分析可控节流器工作原理和节流特性基础上,根据流体润滑理论,建立基于可控节流器的液体静压轴承承载性能的理论模型,研究可控节流器供油压力、弹簧刚度和控制油腔压力等参数对液体静压轴承承载性能的影响规律,并与固定节流液体静压轴承的承载性能进行对比。研究发现,在其他结构参数及工作参数一定的条件下,可控节流器能够显著地提高液体静压轴承的油膜刚度;在不同偏心率条件下,可控节流液体静压轴承的最佳油膜刚度对应的节流参数不同。在开发的液体静压电主轴试验台上进行了试验研究,通过对油腔压力和油膜刚度的理论计算值与试验测量值的对比,证实了可控节流方案的有效性。     

可倾瓦径向滑动轴承流体润滑性能分析

本文研究了可倾瓦径向滑动轴承流体润滑性能。推导了可倾瓦径向滑动轴承油膜厚度,得到可倾瓦径向滑动轴承的Reynolds方程,应用Matlab软件计算得到了油膜压力分布、油膜厚度分布,油膜承载力。计算结果表明:轴瓦的油膜压力3D分布呈现抛物面形分布,且下瓦油膜压力最大,油膜厚度最小,当偏心率较小时,承载力缓慢增大,当偏心率较大时,承载力急剧上升。该结论为轴承的设计与选用提供理论依据。     

柔性支承可倾瓦滑动轴承油膜动力减振特性分析

将传统可倾瓦的机械刚性支点改进为液压支撑,提出一种主动减振可倾瓦轴承——柔性支承可倾瓦轴承。基于有限差分法提出一种新的轴颈中心平衡位置迭代计算方法,通过MatLab编程计算轴承平衡状态的动态特性参数;建立柔性支承可倾瓦轴承内外部油膜等效质量弹簧阻尼系统动力学模型,并对柔性支承可倾瓦轴承-转子系统的稳态及瞬态响应等减振特性进行仿真分析。研究结果表明:双层油膜轴承综合支承刚度小于单层油膜轴承支承刚度,综合支承阻尼在一定条件下会大于单层油膜系统支承阻尼;相比单层油膜轴承,柔性支承可倾瓦在满足一定条件下具有良好的减振特性。     

油膜轴承动静压混合效应的分析

油膜轴承的性能主要由轴承的动压、静压混合效应决定,以雷诺方程为基础,建立油膜轴承压力特性和油膜间隙函数的数学模型,构造流体连续性方程,采用数值解法求解油膜轴承动静压混合效应,运用MATLAB软件实现油膜轴承压力场的三维仿真.结果表明:合理选择轴承半径、偏心率、转速、油腔半角、油膜间隙、供油压力能获得较理想的动静压油膜混合效应,仿真结果与实测结果接近.     

船舶可倾瓦推力轴承工况参数对润滑特性的影响

为研究船舶工况参数对可倾瓦推力轴承稳态和瞬态润滑特性的影响,利用Matlab建立船舶可倾瓦推力轴承热弹流体动压润滑计算模型,考虑轴瓦的热弹性变形,联立黏温方程、能量方程、油膜刚度和阻尼系数方程求解模型,研究热弹性变形以及不同载荷和转速情况下船舶可倾瓦推力轴承的润滑特性。结果表明：考虑热弹性变形时,最小油膜厚度增大,最大油膜压力和最高油膜温度降低;在正常运行工况条件下,轴瓦的热弹性变形有利于改善推力轴承的润滑性能,轴承设计时应考虑材料的抗压性和耐热性;在转速不变时随着载荷的增大,最小油膜厚度降低,最大油膜压力、温度、油膜刚度和阻尼均增加,需要特别注意重载工况下轴承的动压润滑状况;在载荷相同的情况下,随着转速的提高,油膜厚度和油膜温度增大,油膜压力变化不明显,油膜刚度和阻尼随转速增大而降低,在转速较低时下降较为明显。研究结果为优化轴承设计、提高轴承运行的可靠性和稳定性提供参考。     

T型复合结构空气静压支承平台承载性能研究

为了深入研究空气静压轴承在径向和轴向复合工况下的承载性能和规律,设计并研制了一台T型复合结构空气静压支承平台装置。结合T型复合结构空气静压支承平台的三维模型,采用流体润滑理论和有限体积法对空气静压组合轴承与单独径向轴承进行了数值计算,研究了偏心率和供气压力以及转速等参数对空气静压轴承承载力和刚度的影响规律。结果表明：空气静压轴承随着偏心率和供气压力的增大其承载力呈逐渐增大规律;单独径向轴承的承载性能要优于组合轴承的承载性能。     

液体动静压轴承油膜的压力场和温度场分析

针对深浅腔液体动静压轴承的承载特性等问题,对液体动静压轴承的油膜压力场和温度场进行了仿真分析。以超高速磨削电主轴系统中常用的深浅腔液体动静压轴承为研究对象,建立了液体动静压轴承油膜的三维有限元模型,对油膜进行了网格划分,并对划分后的网格进行了质量评定;采用动网格技术实现了对油膜偏心率的变更,在不同主轴转速、偏心率的工作条件下,计算了深浅腔动静压轴承油膜压力和温度的分布情况,分析了其油膜压力分布和温度分布的变化规律;研究了转速、偏心率对动静压轴承的承载力和油膜温升的影响规律。研究结果表明:在深浅腔液体动静压轴承运转过程中,随着转速和偏心率的提高,油膜承载力和温升也随之提高,且转速对油膜温升的影响要比偏心率大。     

可倾瓦推力轴承的线性和非线性动特性研究

建立可倾瓦推力轴承中油膜对镜板的作用力和油膜作用下可倾瓦的力矩的准静态线性和非线性动力学模型,并且通过对油膜压力进行二阶泰勒级数展开推导出４０个油膜对镜板的作用力和油膜作用于可倾瓦的力矩的线性和非线性刚度及阻尼系数,为以后进一步研究推力轴承的稳定性和动特性奠定了基础。     

刚性和弹性支撑可倾瓦推力轴承稳态特性分析

建立刚性球头支撑和弹性橡胶垫支撑可倾瓦推力轴承热弹流耦合模型；在弹性橡胶垫支撑可倾瓦推力轴承橡胶垫的弹性变形分析中采用了变形协调矩阵方法，以协调匹配橡胶垫变形和水膜厚度分布，同时在搜索稳态解的过程中引入模拟退火算法；基于变分原理求解Reynolds方程，得到了轴承水膜压力分布，并比较2种推力轴承在转子存在角不对中时的静特性。结果表明：理想工况下，刚、弹支可倾瓦推力轴承稳态特性没有明显区别；当转子存在不对中时，刚性球头支撑可倾瓦轴承在不同瓦块之间受力偏载严重，进而导致瓦面最小水膜厚度过小，瓦块容易出现磨损，而弹性支撑瓦不同瓦块之间水膜力分布更均匀，利于轴承的长期可靠运行。     

Theoretical and Experimental Study on the Axial Oil Film Stiffness of Tilting Pad Thrust Bearings

Tilting pad thrust bearings are a key component of marine propulsion shaft systems. The dynamic performance of thrust bearings has a significant influence on the propeller vibration. To investigate the axial oil film stiffness of tilting pad thrust bearings, a two-dimensional thermohydrodynamic model incorporating the vibration frequency is developed. The test apparatus and experimental identification model are also constructed. The axial oil film stiffness is experimentally identified at different speeds, loads, and temperature employing the hammer impulse excitation. The axial oil film stiffness between theoretical and experimental results is compared. The discrepancies are not more than 7% for 30 kN operation cases but increase with axial static load. This is partially because the influence of the pivot stiffness becomes obvious with the axial static load increase and cannot be ignored. The results indicate that axial oil film stiffness is at a magnitude of 10⁹ N·m^?1. Compared to foundation stiffness of the thrust bearing system, the influence of axial oil film stiffness needs to be considered for bearing–rotor system design of marine propulsion systems in engineering practice.     

支点弹性、阻尼可倾瓦轴承动力特性数值仿真及试验研究

依据考虑瓦块摆动和沿几何预载荷方向微幅振动的可倾瓦轴承完全动力特性的解析模型及其对应的八参数简化动力模型,设计制备了支点弹性、阻尼特性可倾瓦轴承。该轴承通过在瓦块支点与轴承体之间设置弹性垫片,使瓦块支点支撑在弹性垫片上,弹性垫片与轴承体之间存在微小间隙并与轴颈润滑系统共享油路以实现局部挤压油膜效应。根据不同加工工艺,制备了两种形式的新型支点弹性、阻尼轴承,并通过理论计算模拟与试验分析对两种新型轴承的动力特性进行研究。结果表明,支点弹性、阻尼可倾瓦轴承能够增大转子的一临界阻尼,有效提高转子系统稳定性。     

基于动网格方法的油膜轴承性能的研究

考虑气穴的影响,建立了油膜轴承所支撑转子系统的动力学模型,并利用新的动网格更新方法,编制了求解油膜轴承压力分布、转子静平衡位置以及轴心轨迹的程序,验证了其正确性。利用该程序考察了气穴压力和转速对油膜轴承压力分布和所支撑转子的轴心静平衡位置的影响。计算结果表明,在相同的速度和载荷下,随着气化压力升高,轴承偏心率和最大油膜压力增大,偏位角减小,并且最大油膜压力的周向位置受气化压力的影响较小;而在相同的载荷下,转速对转子静平衡位置影响较大,并随着转速增加,轴承偏心率减小,偏位角增加。     

圆形可倾瓦推力轴承润滑的计算机仿真

针对大型设备中所应用的圆形可倾瓦推力轴承的润滑问题,采用计算机对圆形可倾瓦推力轴承的润滑性能进行了仿真,通过软件程序计算了单个圆形可倾瓦推力轴承瓦面的油膜形状分布情况、油膜压力分布规律及油膜温度分布规律、功率损耗大小、流量多少等参数。结果表明,通过该仿真程序可模拟出不同工况下圆形可倾瓦推力轴承润滑参数,进而提前实现对圆形可倾瓦推力轴承润滑特性的预测,为大型设备中所使用的圆形可倾瓦推力轴承的设计、润滑和实验提供基础数据。     

Measured Performance of Tilting-Pad Journal Bearings over a Range of Preloads—Part I: Static Operating Conditions

This article presents the measured static characteristics for five tilting-pad journal bearings with a range of preload factors. The bearings had five shoes with static forces applied both on the pad and between pads. The journal diameter was 70 mm, with a length-to-diameter ratio of 0.75, a pivot offset ratio of 0.50, and a nominal assembled radial clearance of 81.3 μm. The rocker-backed pads have nominal radial machined clearances of 176.8, 114.3, 91.4, 73.7, and 61.0 μm. These clearances constitute a range of preloads from ?0.333 to 0.540. Most tilting pad bearings are intentionally designed with positive preloads, although with pivot wear and/or pad and pivot distortion or machining tolerances, bearings can operate with zero or negative preloads. Measured results for bearings with negative preload factors have not previously been available. Measurements reported here were made for a variety of speed-load conditions encompassing a Sommerfeld number of 0.1 to 4.5. The measured parameters are eccentricity magnitude, attitude angle, film thickness, and temperatures sufficient to define thermal boundary conditions. Also measured are oil supply pressure, flow rate, and on-shaft pressure profiles. The focus of the work presented herein is to quantify the influence of preload on film thickness, maximum pad temperature, and eccentricity magnitude and attitude angle. Measurements showed preload had a moderate influence on operating eccentricity but not on attitude angle. Negative preloads resulted in the greatest temperature rise, although all temperature rises were relatively small.     

基于有限差分法的径向滑动轴承油膜压力分布计算

滑动轴承广泛应用于旋转机械中,其静动态参数对旋转机械的运转有很大影响。确定滑动轴承的静动态参数依赖于轴承的油膜压力分布,Reynolds方程是油膜压力计算的基础。对于具体轴承参数计算,传统方法是利用已知的给定偏心率和宽径比下的轴承静动态参数进行曲线拟合,通过反推实际轴承的偏心率和偏位角,然后进行压力分布计算。这种逆运算不太方便。基于有限差分法,采用MATLAB软件编程计算,利用实际轴承已知外力和宽径比直接求解完整二维流动Reynolds方程得到油膜压力分布曲线,进一步利用改进方法设计计算实际轴承参数,取得较好的计算精度,使圆瓦轴承参数计算更为简便。     

基于多物理场耦合的可倾瓦滑动轴承性能优化分析

针对大型可倾瓦滑动轴承的湍流效应和瓦块变形,基于COMSOL和MATLAB的联合仿真构建三维热弹流体动力润滑模型.模型中,考虑湍流的修正雷诺方程、能量方程和热传导方程的计算采用COMSOL偏微分方程物理场模块实现,瓦块变形计算采用COMSOL中热应力物理场模块实现,多物理场耦合和计算过程控制利用MATLAB实现.基于所...     

考虑激振频率的可倾瓦推力轴承动特性理论与试验研究

为了研究激振频率对可倾瓦推力轴承动特性的影响,提出考虑激振频率的动特性建模方法和试验方法。依据可倾瓦轴承刚度和阻尼定义,将激振频率引入可倾瓦推力轴承动特性计算过程,通过建立轴向扰动下的膜厚方程、雷诺方程及瓦块运动方程,推导出包含激振频率的可倾瓦推力轴承动特性数学模型,计算分析刚度和阻尼随扰动频率(激振频率与主轴转频的比值)、转速及载荷的变化规律;采用脉冲激振法在可倾瓦推力轴承试验台进行动特性试验,得到不同激振频率、转速及载荷条件下刚度、阻尼的试验结果,并和相应的理论计算值进行对比分析。结果表明：当扰动频率较小时,可倾瓦推力轴承刚度随其增加而逐步增大,阻尼随其增加而逐步减小;当扰动频率增加到一定程度后,其刚度和阻尼逐步趋于稳定。此外,转速和载荷对其刚度和阻尼随扰动频率的变化幅度基本无影响。