不同瓦面形貌参数的曲面可倾瓦推力轴承动特性仿真研究*

为了揭示瓦块曲面形貌参数对船舶可倾瓦推力轴承动特性的影响规律,建立可倾瓦推力轴承瞬态热流体动压润滑模型,采用轴向扰动法研究轴承刚度和阻尼系数的计算方法并进行了验证。设计6种瓦面形貌,仿真分析不同形貌类型和瓦面弯曲程度对推力轴承动特性的影响规律。结果表明：推力轴承刚度系数随激振频率的增加而上升,阻尼系数随激振频率的增加而下降;在相同激振频率下,仅考虑一个方向的形貌改变,周向瓦面凸起量的增加可以增加油膜厚度,降低轴承的刚度和阻尼系数,但径向凸起量的增加对轴承的刚度阻尼系数几乎无影响;仅考虑径向凹陷时,阻尼系数随凹陷量的增加而增加并可达到最大;当同时考虑周向和径向的形貌变化时,则周向凸起量是轴承主要的影响因素。     

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。     

考虑扰动频率的可倾瓦轴承动力学建模及数值模拟

可倾瓦轴承瓦块的摆动性增加了系统的自由度,对轴承油膜动力系数计算有很大影响,而目前的研究在计算流体动压润滑可倾瓦轴承油膜动力系数时未考虑轴颈与瓦块扰动频率的影响。针对这一问题,对考虑扰动频率的可倾瓦轴承动力学建模及动力系数计算方法进行研究,提出考虑扰动频率的可倾瓦轴承频率-缩减(Frequecy-Reduced)动力学模型,详细推导考虑扰动频率的可倾瓦轴承频率-缩减油膜动力系数矩阵形式。采用Newton-Raphson迭代法计算给定载荷和转速工况下的轴承的静平衡位置,利用有限元数值方法求解油膜刚度系数与阻尼系数。结果表明,瓦块和轴颈的扰动频率对可倾瓦动压轴承动态刚度和阻尼影响较大,随着扰动频率增大,阻尼系数的直接项增大,阻尼系数的交叉项变化不大;刚度系数的直接项数值减小,交叉项变化不大。     

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...     

偏载下大长径比水润滑轴承分布式动特性参数识别方法

为了解决偏载下大长径比水润滑轴承分布式动特性参数识别问题,建立水润滑轴承的两支点分布式动力学模型,提出水润滑轴承分布式动特性参数的识别方法,并验证该动特性识别方法的可靠性。通过仿真试验,引入加载和位移信号扰动对轴承分布式动特性参数识别的精度进行分析,开展偏载水润滑轴承分布式动特动特性试验。结果表明：随着激振力振幅扰动的增加,刚度和阻尼系数的识别误差线性增加;激振力相位扰动对刚度系数的影响较小,对阻尼系数的影响较大;随着位移幅值扰动的增加,刚度和阻尼系数的识别误差增加;位移信号的相位扰动对刚度系数的影响较小,对阻尼系数的影响较大;若要求刚度和阻尼的识别误差小于10%,则激振力和位移信号的扰动幅值应小于10%;若要求刚度和阻尼的识别误差小于20%,则这2个信号的扰动相位扰动偏差应小于1°。     

可倾瓦阻尼轴承的开发和应用

为了提高压缩机转子稳定性,降低转子振动和缓解气体激振等情况的发生,在可倾瓦轴承的基础上,研究开发了可倾瓦阻尼轴承;建立了阻尼器的流固耦合力学模型,计算出瓦块支点的刚度、阻尼系数,进而得到可倾瓦阻尼轴承的总刚度和总阻尼系数,并分析转子稳定性,最后通过在产品中的实际应用,验证了可倾瓦阻尼轴承的特性,为可倾瓦阻尼轴承的设计、产品稳定性的提高提供了理论支持与实践经验。     

径向-推力联合浮环动静压轴承动态特性试验研究

在径向-推力联合浮环动静压轴承理论计算和分析的基础上,设计制造了轴承试件及相关的试验装置,改制了试验台。采用静动法和激振法相结合首次测得了径向部分内外膜8个刚度系数和轴向部分2个刚度系数及径向部分总的4个阻尼系数和轴向部分的1个阻尼系数。根据试验数据绘制不同转速下各动特性系数随偏心率的变化曲线,并与理论计算结果进行比较,二者基本一致。     

瓦块固有频率对可倾瓦轴承频变刚度的影响

为研究轻载工况下可倾瓦块固有频率和振动频率对轴承刚度的影响,基于长轴承理论建立求解可倾瓦推力轴承瓦块固有频率和频变刚度的润滑和动力学耦合模型,推导润滑模型的解析解和频变动力学特性的表达式,并通过实例计算分析载荷、支点系数(瓦进油边到支点的距离与瓦长的比值)、瓦块转动惯量等结构参数对瓦块固有频率和频变刚度的影响。结果表明:瓦块的惯性、油膜的刚度和阻尼共同决定瓦块振动的固有频率,瓦块在固有频率附近振动可以使轴承的频变刚度出现负值,甚至正负无穷大;小载荷的瓦(如非承载瓦)容易出现瓦块振动频率接近其固有频率的状况,使瓦发生共振;可倾瓦轴承设计中有必要考虑瓦块的固有频率和频变刚度来设计非承载瓦的支点系数和转动惯量,使瓦块的振动频率跨过固有频率而产生大的刚度。     

试验台约束对滑动轴承动特性识别精度的影响

在滑动轴承的动特性测试中,试验台参数对动特性测试精度有重要的影响。以某倒置式轴承动特性试验台为研究对象,基于轴承动力学正反问题,提出滑动轴承动特性系数识别精度的仿真评估方法,分析不同激振频率时试验台约束参数对轴承动特性系数识别精度的影响规律,并对激振频率和约束参数的取值范围进行优选。结果表明：在较低激振频率的条件下,当约束刚度和约束阻尼取值较小时,动特性系数的识别精度受测试误差的影响不大,随着约束刚度和约束阻尼取值增大到一定值,动特性系数的识别精度受测试误差的影响迅速增大。针对研究的试验台,选择激振频率在30~300 Hz之间,选择试验台约束刚度小于试验轴承刚度的0.3%,试验台约束阻尼小于试验轴承阻尼的7%时,能够保证较好的轴承动特性系数的测试精度。     

圆柱轴承推力边动特性的偏斜效应

在轴承转子系统中,为了抵消轴向载荷、减小轴向振动,常常在轴上安装推力盘。安装误差以及转轴受载变形等因素会使推力盘发生偏斜从而使推力边动特性发生变化。针对圆柱轴承推力边动特性的偏斜效应问题进行了理论计算与分析:首先利用有限差分法和超松弛迭代法求解Reynolds方程得到推力边的压力分布,然后利用小扰动法求得推力边不同位置处的刚度和阻尼系数,最后探讨了推力盘偏斜条件下偏斜角度、安装间隙以及轴向载荷频率对推力边动特性的影响规律。研究结果表明,推力盘偏斜对不同位置处的刚度和阻尼系数有重要影响,为推力边的设计与安装奠定了基础。     

Theoretical considerations of static and dynamic characteristics of air foil thrust bearing with tilt and slip flow

The thrust pad of the rotor is used to sustain the axial force generated due to the pressure difference between the compressor and turbine sides of turbomachinery such as gas turbines, compressors, and turbochargers. Furthermore, this thrust pad has a role to maintain and determines the attitude of the rotor. In a real system, it also helps reinforce the stiffness and damping of the journal bearing. This study was performed for the purpose of analyzing the characteristics of the air foil thrust bearing. The model for the air foil thrust bearing used in this study is composed of two parts: one is an inclined plane, which plays a role in increasing the load carrying capacity using the physical wedge effect, and the other is a flat plane. This study mainly consists of three parts. First, the static characteristics were obtained over the region of the thin air film using the finite-difference method (FDM) and the bump foil characteristics using the finite-element method (FEM). Second, the analysis of the dynamic characteristics was conducted by perturbation method. For more exact calculation, the rarefaction gas coefficients perturbed about the pressure and film thickness were taken into consideration. At last, the static and dynamic characteristics of the tilting condition of the thrust pad were obtained. Furthermore, the load carrying capacity and torque were calculated for both tilting and nontilting conditions. From this study, several results were presented: (1) the stiffness and damping of the bump foil under the condition of the various bump parameters, (2) the load carrying capacity and bearing torque at the tilting state, (3) the bearing performance for various bearing parameters, and (4) the effects considering the rarefaction gas coefficients.     

Dynamic behaviour of aerostatic rectangular thrust bearings

A theoretical study to determine the dynamic stiffness and damping characteristics of an aerostatic rectangular thrust bearing is presented. The governing non-linear partial differential equation of film pressure is linearized using a first-order perturbation method. The perturbed equations are solved numerically to determine the dynamic load, which in turn gives the stiffness and damping characteristics. The effect of various parameters on stiffness and damping is also investigated.     

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。     

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.     

超临界二氧化碳动静压径向可倾瓦轴承实验台设计与实验研究

针对超临界二氧化碳(S-CO₂)动力机组在启动和停止阶段气体轴承产生非常大的摩擦磨损,以及气体轴承承载力低、刚度低、阻尼小、稳定性较差等问题,设计并改进一种新型动静压S-CO₂润滑径向可倾瓦轴承结构。设计并搭建S-CO₂润滑轴承实验台,针对于实验台转子刚启动和极低转速工况,对新型S-CO₂润滑动静压径向轴承在静压状态下的动态特性进行实验研究,得到轴承的动态刚度和动态阻尼,并分析静压对轴承动态性能的影响。实验结果表明,设计的S-CO₂动静压径向可倾瓦轴承在启停阶段,在轴瓦与轴颈之间产生了足够的静压压力,可将二者完全分隔开,从而能减少启停阶段的摩擦磨损;随着静压压力的增大,轴承X、Y方向上的整体刚度、主阻尼都增大,且2个方向的主刚度系数差别不大,而交叉刚度和交叉阻尼都接近于0。研究结果为进一步揭示S-CO₂润滑径向轴承动压状态特性提供参考。     

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。     

三瓣式气体箔片径向轴承的静动态特性

针对一种新型三瓣式气体箔片轴承,考虑接触界面库仑摩擦后提出了相应的刚度计算模型,并通过求解动压气体润滑Reynolds方程,计算并分析了轴承的静态特性和动态特性。研究了转速、载荷、轴承预载和轴承安装角对该轴承静动态特性的影响。静态特性方面,轴承预载可以较大程度地提高承载能力,且高转速下承载能力更强;安装角度对承载能力的影响呈正/余弦规律变化,且随着转速增大,最大承载能力所对应的安装角不断减小,并最终稳定在70°。动态方面,轴承动态直接刚度随预载增大而显著增大,阻尼变化较小;轴承动态刚度和阻尼随安装角的变化也表现为正/余弦规律,且随安装角的增大,两直接刚度和两直接阻尼分别呈异步变化趋势。     

可倾瓦推力轴承系统的稳定性和失稳转速分析

以可倾瓦推力轴承系统为研究对象,建立了油膜厚度方程、瞬态压力方程、油膜力的Taylor级数展开式,推导出了油膜对镜板的作用力和油膜作用于可倾瓦块的力矩刚度和阻尼动力学系数。分析了系统的稳定性,根据失稳频率的概念,提出了求解系统失稳频率的一种新颖而又简单的方法,并据此求出了失稳转速。     

Dynamic behavior of fluid‐structure coupling of hydrostatic spindle under effect of oil film slip

To better understand the dynamic characteristics of a hydrostatic spindle in fluid‐structure coupling, the impact of oil film slip on the 4 dynamic stiffness and damping coefficients of the spindle is studied. On the basis of modified Reynolds equation, which considers the microscale velocity slip effect, rotation error of the spindle is calculated. To solve the rotor axis orbit under the existence of eccentric quality, 4 dynamic stiffness and damping coefficients of the oil film, which describe the dynamics of a rotor axis orbit, are calculated by using load increment method and the pressure perturbation method. The research results show that velocity slip caused a certain impact on dynamics of bearing stiffness and damping performance. The experiment of the measuring path of the shaft verifies the correct and effect of the orbit of shaft center model.