气体止推箔片轴承试验台设计及试验

设计并制造了带有箔片密封式活塞加载装置的气体止推箔片轴承试验台,对带有冷却通道和径向辐射分布波纹箔片的止推箔片轴承进行了试验研究,分别在15000,20000,25000r/min转速下采用摩擦力矩法对带有冷却通道的止推箔片轴承进行了承载力测试试验.结果表明:带有箔片密封结构的活塞式加载装置能够很好地实现止推轴承加载功能,验证了试验台设计的成功,该止推箔片轴承在不同转速下分别得到了145,195,260N的推力,并且轴承承载力和气膜间隙成非线性关系.      

平箔片楔形高度对气体止推箔片轴承特性影响

针对波箔型气体止推箔片轴承,建立了箔片结构二维薄板模型,并通过有限差分法和有限元法耦合求解可压缩气体Reynolds方程和气膜厚度方程,获得了给定轴承载荷条件下轴承气膜压力分布、气膜厚度分布、平箔片变形量和功率损耗等轴承特性.通过对比楔形高度分别为25,70,100,200,300μm时的轴承特性仿真结果研究了楔形高度对轴承性能的影响.结果表明:降低楔形高度使轴承气膜压力分布更均匀,并降低了平箔片的局部集中载荷.但楔形高度存在一个最佳值,使得达到相同轴承载荷所需的最小气膜厚度最大,并且轴承具有最小功率损耗,提高了轴承的工作效率.该结果为气体止推箔片轴承的结构设计提供的理论参考.      

气体动压止推轴承性能及实验

为了研究气体动压箔片止推轴承的动力特性,建立了刚性表面气体动压止推轴承模型,采用数值计算的方法找出了不同结构参数、转速等对刚性表面气体动压止推轴承性能的影响规律。综合衡量加工难度及数值计算结果中气体动压止推轴承性能表现,加工出刚性表面气体动压止推轴承。同时选用新型弹性箔片材料完成波箔、平箔的压制及热处理工艺,设计开发了箔片动压止推轴承。搭建了单侧气体动压止推轴承实验台,重点对轴承的承载力、起飞转速、摩擦力矩等进行监测与分析。通过实验研究明确了轴承启停过程,同时发现:起飞瞬间刚性表面气体动压止推轴承与弹性表面气体动压止推轴承位移响应方向相反,且在相同轴向载荷条件下,弹性表面气体动压止推轴承起飞转速较同种结构的刚性表面气体动压止推轴承有1/2~2/3的下降。      

动压气体止推轴承间隙气动热及流动特性分析

以波箔型动压气体止推轴承为研究对象,建立变截面气膜间隙润滑模型,研究了有无黏性耗散时动压气体止推轴承间隙压力场及温度场分布,获得几何参数以及转速对轴承间隙气膜压力和温度的影响规律。结果表明：考虑黏性耗散时,在收敛段末端和平直段外缘形成高温区;无黏性耗散时,轴承气膜高温区位于收敛间隙末端;轴承气膜温升随转速线性增加;考虑黏性耗散时,气膜温升随楔形因子的增加而减小,无黏性耗散热时则与之相反;气膜厚度越大,温升越小,厚度对轴承气膜温度分布无影响。本文参数范围内,黏性耗散产生的温升占比达90%。该研究证实了黏性耗散对动压气体止推轴承热流动物理机制有重要的影响,可为动压气体轴承设计和高效运行提供理论基础。     

气体静压轴颈-止推串接型轴承静特性的分析

采用有限元方法研究了狭缝节流气体静压轴颈-止推串接型轴承的静态特性,分析了节流狭缝宽度和气膜厚度等因素对径向和轴向承载性能的影响,研究了三棱形圆度误差对径向和轴向承载能力的影响, 揭示了轴颈轴承部分和止推轴承部分之间的相互影响规律,并且研究了当有误差存在时轴承内部气膜压力分布的规律。     

箔片预变形对箔片气体径向轴承静特性影响分析

针对箔片预变形对波箔型气体径向轴承静特性影响进行了数值仿真研究.建立了考虑气体可压缩性、箔片预变形等因素的气膜厚度数学模型.运用牛顿迭代和有限差分法耦合求解Reynolds方程和气膜厚度方程,研究了箔片预变形对轴承气膜厚度分布、压力分布和承载能力等特性的影响.与有名义半径间隙情况的波箔型气体轴承特性对比分析,结果表明,有箔片预变形的波箔型轴承具有更好的旋转稳定性和轴承承载能力,同时有较大预变形的波箔型气体轴承具有更高的轴承承载能力.      

箔片气体轴承静态特性和温度特性实验

建立箔片气体径向轴承静态特性和温度特性测试实验台,通过变载荷和变转速两种实验方式对轴承起飞转速、摩擦阻力矩和轴承温升进行测量,研究分析轴承静态特性、温度特性与载荷、转速之间的关系.实验结果表明:在启停阶段,由于没有形成气膜,箔片气体轴承的摩擦阻力矩会出现较大的峰值,但当达到某一特定转速（起飞转速）后,摩擦阻力矩会迅速下降到某一极小值,并且起飞后的稳态轴承转矩会随载荷和转速的增大而增加.稳定状态下的轴承温度会稳定在某一值且相对于室温的温升极小,而且随着转速、载荷的增加近似于线性增大.      

激光点焊工艺参数对止推箔片轴承接头组织与性能的影响

止推箔片轴承是航空陀螺仪中的重要支撑元件,为了提高支承面的耐磨性及耐腐蚀性,通常会在支承面涂覆特氟龙涂层,该涂层的添加给后续的制造工艺带来不确定性。研究激光点焊工艺参数对止推箔片轴承接头组织与性能的影响,利用光学显微镜、扫描电镜、电子精密拉伸仪、超声检测等分析方法,对焊缝表面成形、接头显微组织及力学性能进行分析。结果表明:焊点表面直径随脉冲功率的增加而增大,而抗拉剪力随热输入量的增加先增大后减小;激光点焊制造的优化工艺参数为脉冲功率百分比22%、脉冲宽度5.0ms,抗拉剪力达最大值63.0N;超声波浸液检测能够精确测定搭接界面的尺寸,但抗拉剪力与界面尺寸不完全成正比关系,接头的抗拉剪力主要与接头的断裂机制有关。     

箔片结构库伦摩擦效应对径向箔片轴承特性的影响

基于有限元法建立波箔型气体径向轴承箔片结构的库伦摩擦模型,通过改变平箔片与波纹箔片之间以及波纹箔片与轴承座之间的摩擦因数,对比分析了在各种载荷分布条件下波纹箔片库伦摩擦模型与文献中线性弹簧模型的刚度特性,研究了库伦摩擦效应对波纹箔片刚度特性的影响规律.在此基础上,运用有限单元法和有限差分法求解雷诺方程和气膜厚度方程,研究了在两个工作转速下气体波箔片轴承中截面处最小气膜厚度随轴承承载力的变化规律以及承载力随偏心率的变化规律.通过数值仿真对该模型、文献中线性弹簧模型和刚性表面气体轴承进行对比分析,并把气膜厚度分布与文献结果进行了对比.结果表明:箔片的库伦摩擦力在一定程度上增大了波纹箔片的刚度,并且随着摩擦因数的增大其刚度以及两端固定的波纹箔片个数也增加,使得箔片轴承表面变“刚”,因此轴承静特性更趋于刚性表面轴承,此外当轴承承载力一定时,箔片摩擦因数越大轴承的最小气膜厚度越小.      

波箔型径向气体箔片轴承-转子系统升降速动态特性试验

为了研究以波箔型径向气体箔片轴承为支承的轴承-转子系统动力学特性,专门设计了波箔型径向气体箔片轴承试验台,质量为0.458kg的转子在该试验台上实现了超过80000r/min的运转速度.径向轴承为波箔型径向气体箔片轴承,止推轴承为多叶箔片轴承.试验结果表明:波箔型径向气体箔片轴承能够实现转子高速运行,在转子起飞后具有良好的运行稳定性,其轴承支承处振动位移幅值一直维持在20μm之内.由于驱动涡轮受到不平衡气流力的作用,转轴升速时的起飞转速要高于降速时的起飞转速.      

叠片式箔片气体动压推力轴承的静动态特性

针对一种叠片式箔片气体动压推力轴承,提出相应的结构刚度模型。运用有限差分法(FDM)求解可压缩气体雷诺方程,并与箔片弹性变形方程耦合求解得到该类型轴承的静动态特性。结果表明:由于支承结构在径向和周向都具有变刚度特点,导致单瓣箔片上出现二次收敛楔形效应,因此形成两个压力峰值,与传统类型轴承相比能在一定程度上提高承载能力。随着最小气膜厚度的增加,轴承承载能力和摩擦力矩都不断下降,且动态刚度也逐渐下降,但对动态阻尼的影响较小。存在最优楔形高度值以实现较大承载能力的同时,也能达到较小摩擦力矩,减小功率损耗,并且还能获得较高的动态刚度和动态阻尼系数。      

油润滑弹性支撑多叶箔片轴承静态特性

以提高箔片轴承承载力为目的,提出了一种带有弹性支撑结构的多叶箔片轴承.基于柔度矩阵理论计算了箔片变形量,并与有限元分析软件的仿真结果进行了对比,以验证其准确性;建立了油膜厚度与箔片变形量关系的表达式,仿真研究了该箔片轴承的静态特性,并与无支撑结构的多叶箔片轴承进行对比分析;建立了油润滑箔片轴承静态特性实验台,实验测量油润滑弹性支撑多叶箔片轴承的承载力.结果表明:弹性支撑多叶箔片轴承的承载力大于没有支撑结构的轴承,在30000r/min时承载力提高达109%;轴承转速越高,承载力增加越明显.实验得到的承载力与理论计算值相差2.7%,吻合较好.      

基于二维厚板模型的波箔片轴承静特性

建立平箔片的二维厚板有限元模型,运用有限单元法和有限差分法耦合求解Reynolds方程和气膜厚度方程,研究了在两个工作转速下气体波箔片轴承在中截面和边缘处最小气膜厚度随轴承承载力变化规律.通过数值仿真对该模型、一维梁模型、二维薄壳模型和文献实验数据进行对比分析,结果表明:在轴承中截面处,3个模型的最小气膜厚度仿真结果都与实验结果符合得很好,但在轴承边缘处,由于二维厚板模型考虑了平箔片的剪切效应,因此其最小气膜厚度比二维薄壳模型的结果更接近实验值,而一维梁模型只考虑轴承圆周方向,因此不能体现气膜厚度沿轴承长度方向的变化规律.通过研究,为分析箔片轴承动力学特性奠定了理论基础.      

基于库伦摩擦效应的箔片轴承极限承载力理论与试验

基于有限单元法建立了考虑库伦摩擦的波箔型径向气体箔片轴承的箔片结构模型,采用有限差分法和有限单元法耦合求解Reynolds方程和气膜厚度方程,通过求解轴颈达到极限偏心率时的轴承极限承载力,研究了箔片结构库伦摩擦效应对轴承极限承载力的影响规律,并搭建了轴承极限承载力测试试验台,利用温度法测量了两个具有不同轴承壳内表面粗糙度的波箔型径向气体箔片轴承的轴承极限承载力.通过对比分析仿真结果与试验结果表明:轴承壳圆柱孔内表面粗糙度为0.4μm的轴承在10000r/min和20000r/min下,轴承极限承载力分别为15.5N和42.3N;而表面粗糙度为1.6μm的轴承极限承载力为10.9N和29.6N,这是由于波纹箔片和轴承壳体之间的库伦摩擦力增大了波纹箔片的刚度,因此增大箔片结构摩擦因数使得轴承极限承载力降低,并且仿真结果变化趋势和试验结果变化趋势吻合.      

厚顶箔的箔片动压轴承性能的数值研究

提出了一种具有厚顶箔特征的箔片动压轴承(TTF-GJFB),并对其进行了建模及分析。针对这种型轴承,采用Newton-Raphson迭代法求解静态气膜雷诺润滑方程和箔片受力方程;采用折合系数法和小扰动法,推导了厚顶箔轴承的动态刚度系数与动态阻尼系数。以此为基础,对厚顶箔轴承和传统箔片轴承进行了对比,并对初始轴承间隙、波箔宽度、顶箔质量对厚顶箔轴承动静态特性的影响进行了研究。结果表明:厚顶箔轴承比传统箔片轴承拥有较大的承载力及偏位角,承载力增幅至少为23%;厚顶箔轴承的动态特性与传统箔片轴承有较大差异;厚顶箔轴承的初始间隙会影响偏位角和承载力,小初始间隙在所有偏心率范围内可以提高承载力和减小偏位角;波箔宽度对轴承静态特性的影响较小,但对动态特性的影响较大,在中低激振比范围内,动态系数基本随着箔片宽度的变窄而变小;厚顶箔的质量会在高激振比下对轴承的动态特性产生影响,使得动态刚度系数上升,动态阻尼系数下降。