弹性薄片动压气体轴承的理论和试验研究

摘要 .......................................................................................................................... I ABSTRACT ............................................................................................................... I II 第1章绪论 (1)

1.1课题背景、研究的目的和意义 (1)

1.2径向薄片气体轴承研究现状 (2)

1.2.1 径向薄片轴承主要结构类型 (2)

1.2.2 悬臂型径向薄片轴承国内外研究进展 (8)

1.3止推薄片气体轴承研究现状 (11)

1.3.1 止推薄片轴承主要结构类型 (11)

1.3.2 波箔型止推轴承国外研究进展 (16)

1.3.3 波箔型止推轴承国内研究进展 (22)

1.4本课题主要研究内容 (24)

第2章悬臂型径向薄片气体轴承静动特性理论建模 (26)

2.1引言 (26)

2.2轴承结构及薄片变形计算模型 (26)

2.2.1 轴承结构及工作原理 (26)

2.2.2 薄片几何搭接关系 (27)

2.2.3 悬臂弯曲梁模型 (29)

2.3薄片间面接触分析模型 (30)

2.3.1 线接触计算模型 (31)

2.3.2 面接触计算模型 (34)

2.4轴承静态特性的气弹耦合求解 (38)

2.4.1气膜厚度方程 (38)

2.4.2 Reynolds方程的离散化和有限元求解 (38)

2.4.3气弹耦合计算流程 (44)

2.5轴承动态刚度和阻尼系数计算的公式推导和求解 (47)

2.5.1基于小扰动法的动态Reynolds方程化简 (48)

2.5.2薄片结构变形与气膜厚度及压力关系推导 (50)

2.5.3方程的有限差分离散和求解 (51)

2.5.4动态刚度和阻尼系数 (54)

哈尔滨工业大学工学博士学位论文

2.6本章小结 (55)

第3章悬臂型径向薄片气体轴承静动特性计算分析 (57)

3.1引言 (57)

3.2计算程序验证分析 (57)

3.2.1 面接触计算程序验证 (58)

3.2.2 线接触和面接触计算结果对比 (58)

3.3轴承静态特性计算及影响因素 (59)

3.3.1 静态特性计算 (60)

3.3.2 薄片厚度的影响 (65)

3.3.3 薄片展角的影响 (68)

3.3.4 转速和偏心率的影响 (69)

3.3.5 长径比的影响 (72)

3.3.6 薄片安装角的影响 (73)

3.3.7 单边间隙的影响 (74)

3.4轴承动态特性计算及影响因素 (77)

3.4.1薄片厚度的影响 (77)

3.4.2薄片展角的影响 (79)

3.4.3转速和偏心率的影响 (80)

3.4.4长径比的影响 (81)

3.4.5 薄片安装角的影响 (83)

3.4.6单边间隙的影响 (84)

3.5本章小结 (85)

第4章止推薄片气体轴承静动特性理论建模 (86)

4.1引言 (86)

4.2弹性支承结构变形计算模型 (86)

4.2.1 基于薄板模型的顶层薄片建模 (87)

4.2.2 波箔支承刚度模型 (91)

4.2.3 构建整体刚度矩阵 (92)

4.3静态特性的数值求解 (93)

4.3.1 气膜厚度方程 (93)

4.3.2 Reynolds方程的离散化和有限元求解 (96)

4.3.3 承载力和摩擦力矩 (100)

4.3.4 静态特性耦合计算流程 (100)

4.4动态特性的数值求解 (101)

4.4.1基于小扰动法的动态Reynolds方程化简 (101)

4.4.2 薄片结构变形与气膜厚度及压力关系推导 (102)

4.4.3 方程的有限差分离散和求解 (103)

4.4.4 动态刚度和阻尼系数 (107)

4.5本章小结 (108)

第5章止推薄片气体轴承静动特性计算分析 (109)

5.1引言 (109)

5.2计算程序验证分析 (109)

5.3轴承静态特性计算 (110)

5.3.1 支承结构参数的影响 (112)

5.3.2 斜坡形状的影响 (122)

5.3.3 波箔一致性误差的影响 (125)

5.3.4 运行参数的影响 (128)

5.3.5 轴承参数的优化 (129)

5.4轴承动态特性计算 (131)

5.4.1 支承结构参数的影响 (131)

5.4.2 斜坡形状的影响 (135)

5.4.3 波箔一致性误差的影响 (136)

5.4.4 运行参数的影响 (136)

5.5本章小结 (137)

第6章轴承测试平台的搭建及试验研究 (139)

6.1引言 (139)

6.2径向轴承测试试验台结构与测试系统 (139)

6.2.1 试验台主体结构设计 (140)

6.2.2 径向轴承试验件的设计及加工 (141)

6.2.3 测试系统设计 (143)

6.3径向轴承静特性试验及结果验证分析 (145)

6.3.1 静态加卸载试验 (145)

6.3.2 运行试验及结果验证分析 (146)

6.4止推轴承测试试验台结构与测试系统 (150)

6.4.1试验台主体结构设计 (150)

6.4.2止推轴承试验件的设计及加工 (152)

6.4.3测试系统设计 (154)

6.5止推轴承静特性试验及结果验证分析 (155)

哈尔滨工业大学工学博士学位论文

6.5.1静态加卸载试验 (155)

6.5.2运行试验及结果验证分析 (157)

6.6本章小结 (160)

结论 (162)

参考文献 (164)

附录一 (175)

附录二 (177)

攻读博士学位期间发表的论文及其它成果 (179)

哈尔滨工业大学学位论文原创性声明和使用权限 (180)

致谢 (181)

个人简历 (183)

Contents

Abstract (In Chinese)..............................................................................................?Abstract (In English)............................................................................................??? Chapter 1 Introduction (1)

1.1 Background, objective and significance of the subject (1)

1.2 Review of gas foil journal bearing....................... (2)

1.2.1 Main structure types of foil journal bearing (2)

1.2.2 Development of multileaf foil journal bearing (8)

1.3 Review of gas foil thrust bearing (11)

1.3.1 Main structure types of foil thrust bearing (11)

1.3.2 Foreign development of bump foil thrust bearing (16)

1.3.3 Domestic development of bump foil thrust bearing (22)

1.4 Main research contents of this subject (25)

Chapter 2 Theoretical modeling of multileaf gas foil journal bearing (26)

2.1 Introduction (26)

2.2 Bearing structure and model of foil deformation (26)

2.2.1 Bearing structure and working mechanism (26)

2.2.2 Geometric relationship of overlapping foils (27)

2.2.3 Cantilevered curved beam model (29)

2.3 Analytical models of contact condition between adjacent foils (30)

2.3.1 Line contact model (31)

2.3.2 Area contact model (34)

2.4 Elastohydrodynamic solution of static characteristics (38)

2.4.1 Equation of gas film thickness (38)

2.4.2 Discretization and solution of Reynolds equation using FEM (39)

2.4.3 Flowchart of elastohydrodynamic solution (45)

2.5 Equation derivation and solution of dynamic characteristics (48)

2.5.1 Reynolds equation and the perturbation method (49)

2.5.2 Equation derivation between foil deformation and gas film thickness (51)

2.5.3 Discretization and solution of Reynolds equations (52)

2.5.4 Stiffness and damping coefficients (55)

2.6 Brief summary (56)

Chapter 3 Theoretical calculation of multileaf gas foil journal bearing (57)

3.1 Introduction (57)

3.2 Verification of calculation program (57)

3.2.1 Verification of area contact model (58)

3.2.2 Results comparison using different models (58)

哈尔滨工业大学工学博士学位论文

3.3 Static characteristics analysis and influence factors (59)

3.3.1 Static performance analysis (60)

3.3.2 Foil thickness (65)

3.3.3 Foil central angle (68)

3.3.4 Rotating speed and eccentricity ratio (70)

3.3.5 Aspect ratio (72)

3.3.6 Foil setting angle (73)

3.3.7 Radial clearance (74)

3.4 Dynamic characteristics analysis and influence factors (77)

3.4.1 Foil thickness (77)

3.4.2 Foil central angle (79)

3.4.3 Rotating speed and eccentricity ratio (80)

3.4.4 Aspect ratio (81)

3.4.5 Foil setting angle (83)

3.4.6 Radial clearance (84)

3.5 Brief summary (85)

Chapter 4 Theoretical modeling of gas foil thrust bearing (86)

4.1 Introduction (86)

4.2 Model of foil deformation (86)

4.2.1 Model of top foil based on thin plate theory (87)

4.2.2 Model of bump foil (91)

4.2.3 Global stiffness matrix (92)

4.3 Elastohydrodynamic solution of static characteristics (93)

4.3.1 Equation of gas film thickness (93)

4.3.2 Discretization and solution of Reynolds equation using FEM (96)

4.3.3 Load carrying capacity and frictional torque (100)

4.3.4 Flowchart of elastohydrodynamic solution (100)

4.4 Equation derivation and solution of dynamic characteristics (101)

4.4.1 Reynolds equation and the perturbation method (101)

4.4.2 Equation derivation between foil deformation and gas film thickness..102

4.4.3 Discretization and solution of Reynolds equation (103)

4.4.4 Stiffness and damping coefficients (107)

4.5 Brief summary (108)

Chapter 5 Theoretical modeling of gas foil thrust bearing (109)

5.1 Introduction (109)

5.2 Verification of calculation program (109)

5.3 Static characteristics analysis and influence factors (110)

5.3.1 Structural parameters (112)

5.3.2 Ramp slope (122)

Contents

5.3.3 Consistency of bump foil (125)

5.3.4 Operating parameters (128)

5.3.5 Optimization of bearing parameters (129)

5.4 Dynamic characteristics analysis and influence factors (131)

5.4.1 Structural parameters (131)

5.4.2 Ramp slope (135)

5.4.3 Consistency of bump foil (136)

5.4.4 Operating parameters (136)

5.5 Brief summary (137)

Chapter 6 Construction of test-bed and experimental study (139)

6.1 Introduction (139)

6.2 Test-bed of foil journal bearing and measurement system (139)

6.2.1 Design of test-bed structure (140)

6.2.2 Design and manufacturing of test foil journal bearing (141)

6.2.3 Design of measurement system (143)

6.3 Experimental study of foil journal bearing (145)

6.3.1 Static loading-unloading experiment (145)

6.3.2 Operating experiment and results verification (146)

6.4 Test-bed of foil thrust bearing and measurement system (150)

6.4.1 Design of test-bed structure (150)

6.4.2 Design and manufacturing of test foil thrust bearing (152)

6.4.3 Design of measurement system (154)

6.5 Experimental study of foil thrust bearing (155)

6.5.1 Static loading-unloading experiment (155)

6.5.2 Operating experiment and results verification (157)

6.6 Brief summary (160)

Conclusions (162)

References (164)

Appendix ? (175)

Appendix ?? (177)

Papers published in the period of Ph.D. education (179)

Statement of copyright and Letter of authorization (180)

Acknowledgements (181)

Resume (183)

第1章绪论

1.1 课题背景、研究的目的和意义

旋转机械在电力、冶金、石油化工、交通、航空航天以及低温制冷等领域中得到了广泛的应用，随着现代工业水平的快速发展和提高，旋转机械不断向高转速、高效率、轻量化、低维护成本以及环境适应能力强等方向发展，而轴承作为旋转机械的关键支承部件，其性能、寿命和可靠性直接决定了整个机械系统性能的优劣，因此对支承轴承进行系统的理论和试验研究对于保证、改善和提高轴承性能，进一步促进各领域的发展至关重要[1,2]。

将空气作为润滑剂的想法最初是由法国学者Hirn于1854年提出，随后Reynolds建立了气膜的流体润滑理论并由Wood推向实际应用，但直到20世纪中后期，由于航空航天和原子能工业发展的需求，气体润滑技术才得到迅速的发展[3]。由于采用气体作为润滑介质，与传统的滚动轴承及油润滑轴承相比，气体轴承具有转速和回转精度高、功耗小、无污染、寿命长以及能在恶劣环境下工作等优点，在低温透平、导航制导、民用核能以及医疗器材等领域中应用逐步扩大，如透平压缩机、离心分离机、高速牙钻、硬盘磁头、惯性陀螺仪以及气流纺织机等[4]。根据润滑气膜产生机理的不同将气体轴承分为静压气体轴承和动压气体轴承两种类型，其中静压气体轴承由于需要独立的供气系统，增加了系统的复杂性，限制了其在某些领域的应用；动压气体轴承是通过转子高速旋转下楔形气膜的压缩效应来产生气膜压力并提供承载力的，主要包括可倾瓦型、螺旋槽型、人字槽型和薄片型等典型的结构形式，由于无需专门的供气装置，结构简单，维护成本低，在过去的几十年中得到了广泛的发展和应用。

薄片轴承是一种采用柔性支承表面的自作用式动压气体轴承，除了继承刚性表面气体轴承的特点外，由于采用弹性支承结构，薄片的自适应性好，一方面对轴承制造精度以及转子对中性要求下降，另一方面能够承受较大的温度梯度变化，适应环境能力强；当轴承工作时，薄片表面能够根据工况的变化进行相应的变形调整，减缓气膜压力的波动，同时薄片支承结构自身的材料阻尼、薄片间以及薄片与轴套间的库伦摩擦力能够消耗轴承工作中多余的能量，增强轴承的抗冲击性能和稳定性；通过在转子和薄片表面镀以耐高温固体润滑涂层，可以有效降低轴承启停阶段的干摩擦，当轴承发生故障时，还可以防止对转子造成致命性损伤；由于采用空气作为润滑介质，无需专门的润滑以及冷却系统，维护成本低且功率消耗小。由于薄片轴承具有以上传统滚动轴承以及刚性气体轴承所不具备的独特优良特性，自20世纪70年代在军民用飞机的空气