波箔式空气轴承箔片支承结构分析的研究进展
磁悬浮轴承的稳定性分析及优化设计
磁悬浮轴承的稳定性分析及优化设计磁悬浮轴承是一种先进的轴承技术，利用磁力作用浮起轴与轴承之间的接触，实现无接触的支撑和传动。
它具有低摩擦、高精度、高速度等优点，在航天、机械、电力等领域得到广泛应用。
然而，磁悬浮轴承的稳定性问题一直是研究的焦点。
本文将对磁悬浮轴承的稳定性进行分析，并提出优化设计的方法。
在磁悬浮轴承中，稳定性是一个至关重要的问题。
任何轴承系统都需要保持稳定的运行，以确保轴的平稳旋转。
对于磁悬浮轴承而言，稳定性问题更加突出，因为磁力是通过电磁线圈产生的，存在一定的不确定性和波动性。
首先，我们来分析磁悬浮轴承的稳定性问题。
磁悬浮轴承的稳定性主要受到以下几个因素影响：控制系统的稳定性、磁场不平衡和轴向力的干扰。
控制系统的稳定性是磁悬浮轴承稳定性的基础，它直接影响轴承的力与位移的关系。
若控制系统不稳定，会导致轴承力的不稳定，进而影响轴的稳定旋转。
磁场不平衡主要是指轴承线圈间的磁场不均匀，这会导致磁悬浮力的不稳定性。
轴向力的干扰是由于径向不均匀载荷或轴本身的质量不均匀引起的，它会使得轴承系统产生非线性力，从而影响系统的稳定性。
为了优化磁悬浮轴承的稳定性，我们可以采取以下方法。
首先，改进控制系统的稳定性。
可以采用现代控制理论中的自适应控制、模糊控制或神经网络控制等方法，提升控制系统的鲁棒性和自适应性，以应对复杂的工况变化和外部干扰。
其次，优化磁场分布。
通过优化磁悬浮轴承的结构设计和磁场控制算法，确保磁场分布均匀，减小磁场不平衡带来的影响。
最后，考虑轴向力的干扰。
可以通过轴向力的预测和补偿来消除其对系统稳定性的影响，例如使用力传感器和补偿机构进行实时测量和控制。
除了以上方法，我们还可以利用仿真技术对磁悬浮轴承的稳定性进行分析和优化设计。
通过建立准确的数学模型和计算模拟，可以预测系统的动态响应和稳定性。
基于仿真结果，可以进一步改进系统的设计参数和控制策略，以实现更好的稳定性性能。
总结起来，磁悬浮轴承的稳定性是研究的热点和难点之一。
高频柔性覆铜板材料的研究进展
高频柔性覆铜板材料的研究进展摘要：综述了5G通讯用柔性覆铜板材料的最新研究进展和应用。
从 5G 高频信号传输对高频覆铜板材料的性能需求、低介电常数（D k）与低介电损耗（D f）介质材料和低轮廓铜箔在 5G 高频通讯中的研究与应用进展等角度进行了阐述。
重点综述了低介电介质材料和低轮廓铜箔的研究发展状况和应用。
最后对低介电高频柔性覆铜板材料的未来发展趋势进行了展望。
关键词：高频；低介电常数；低介电损耗；低轮廓铜箔；研究进展1前言5G时代已经来领，5G信号站和5G手机的逐步推广使得以5G移动通讯技术为代表的5G先进技术产业将处于快速发展时期。
5G通讯器件中所使用的高频覆铜板材料的研制开发是近年广泛关注的热点。
在数据传输过程中，传输速度是首要考量因素，但要达到高质量通讯的要求，通讯过程中的信号损耗和失真必须重点考虑。
随着通讯频率的不断提高，使得原本在低频下可以忽略的信号损失变得不可忽略。
高频下集成电路损耗主要由4个部分组成，如式（1）所示：αT=αC+αD+αR+αL（1）其中αT为总传输损耗，αC为导体损耗，αD为介质损耗，αR为辐射损耗，αL为泄漏损耗[1]。
为了追求高频高速电路具有更好信号完整性降低信号在传输过程中的信号损失，高频柔性覆铜板选材要根据集成电路损耗机理选择合适的低介电材料进行使用。
2低轮廓铜箔的应用选择2.1 导体损耗机理随着信号频率的增大，高速信号在传输线的铜箔表面产生的“趋肤效应”越来越显著。
趋肤深度的经典计算公式如（2）所示。
式中，δ表示趋肤深度（mm），f表示频率(Hz)，μ表示磁导率，σ表示电导率。
由式（2）可知，频率越高，趋肤深度越小（浅），由于趋肤效应和铜箔表面粗糙度的综合影响，高频下的粗糙导体损耗与平滑导体损耗就会有所不同，HAMMERSTAD 和 JENSEN 通过导体损耗修正因子 K sr将粗糙导体损耗和平滑导体损耗联系起来[1]，建立了公式（3）。
αc（粗糙）=αc（光滑）×K sr（3）式中，αc（粗糙）表示粗糙导体损耗，αc（光滑）表示光滑导体损耗，K sr表示导体损耗修正因子[1-2]。
风电机组主轴承滚道应力和润滑特性分析
第3期(总第232期)2022年6月机械工程与自动化MECHANICAL ENGINEERING & AUTOMATION No. 3Jun.文章编号；1672-6413(2022)03-0020-03风电机组主轴承滚道应力和润滑特性分析*王岳峰，黄虎，李达(太原重工股份有限公司技术中心，山西 太原030024)摘要：以兆瓦级风电机组圆锥滚子主轴承为研究对象，综合考虑轴、轴承、润滑介质和环境温度之间的热力耦合传导效应，研究滚动轴承滚道应力和滚道油膜润滑效果。
研究结果表明：内、外圈滚道均在滚子中心区 域接触应力达到最大值，内圈滚道应力要略微大于外圈滚道应力；油膜厚度分布规律与滚道接触应力分布基本一致；轴承转速对油膜厚度影响最大，润滑温度和轴向载荷的影响逐渐减小，径向载荷的影响最小；增大轴承转速，降低润滑温度，减小轴向和径向载荷有助于增大油膜厚度。
研究结果为改善风电机组主轴承的润滑性能提供了应用参考。
关键词：主轴承；风电机组；滚道应力；润滑特性中图分类号：TP391. 7 文献标识码：A0引言主轴承作为风力发电机组核心部件之一，其可靠性对机组的稳定运行起到至关重要的作用口勺。
风电 机组主轴承长期在低速重载工况下运行，轴承滚子和 滚道之间形成的润滑油膜是避免滚子滚道摩擦损伤、 确保轴承正常运行的关键⑷。
王亚彪等皈基于弹流理论研究了主轴承在极限工 况的点接触情况下的润滑油膜性能。
周江敏等页通过 计算平均雷诺流体润滑方程，研究了轴承滚子与滚道 表面纹理和硬弹比对滚子轴承混合润滑油膜的影响。
华希俊等［呦研究了激光微织构滚动轴承表面的润滑 特性和弹流动压性能。
王文中等［如研究了润滑接触中弹性变形快速数值计算方法和激光织构化GCrl5 轴承钢配副在脂润滑条件下的摩擦学性能。
许多学者 对轴承的润滑理论进行了研究，而针对风力发电机组 圆锥滚子轴承基于不同输入交变载荷、摩擦因数、润滑 温度和轴承转速下的滚道接触应力和滚道油膜润滑效 果的分析，以及对轴承滚道油膜润滑厚度与滚道接触 应力、轴承转速等参数的耦合量化关系研究还相对较 少,而轴承滚道应力和油膜润滑厚度对各工况下轴承 稳定运行至关重要。
径向磁悬浮轴承的电磁场分析和结构优化设计解读
山东大学硕士学位论文径向磁悬浮轴承的电磁场分析和结构优化设计姓名：陈帝伊申请学位级别：硕士专业：电工理论与新技术指导教师：刘淑琴20080420山东大学硕士学位论文中文摘要磁悬浮轴承是利用磁场力将转子悬浮于空间，使转子和定子之间没有任何机械接触的一种新型高性能轴承，具有无摩擦、无损耗、无污染、低能耗、低噪声以及寿命长等优点，为了使磁悬浮轴承在更多的工业领域得到较好的应用，使其结构简单并且性能优越，研究降低成本，具有重要的现实意义。
本文采用有限元法分析电磁场，然后对径向磁悬浮轴承进行结构优化设计，具体工作包括：首先，本文给出了磁悬浮轴承的麦克斯韦方程组、边界条件以及用有限元法求解径向磁悬浮轴承的一般步骤，为对磁悬浮轴承进行电磁场分析奠定了基础。
用ＡＮＳＯＦＴ公司出品的ＭＡＸＷＥＬＬ软件对径向磁悬浮轴承的转子和定子的结构导致磁路耦合、定子与气隙交界处磁密急剧增加等结构特性进行详尽的有限元分析。
其次，对径向磁悬浮轴承的一般结构设计进行了推导：包括磁性材料的选择、磁悬浮轴承结构的设计、槽型结构的选择、各个结构参数间的关系等，并且对热量损失进行了校验。
第三，根据前述的电磁场分析的结论和径向磁悬浮轴承的一般设计过程，本文提出了两个优化目标：承载力最大和定子外径最小，根据不同的约束条件给出了三个具体的实现算法。
最后，用ＶｉｓｕａｌＢａｓｉｃ编写了磁悬浮轴承系统设计软件，此软件包括：径向磁悬浮轴承结构设计、轴向磁悬浮轴承结构设计、控制系统设计和损耗分析，并给出了设计的样机和实验效果。
关键词：电磁场分析；磁悬浮轴承；结构优化设计山东大学硕士学位论文ＡＢＳＴＲＡＣＴＡｃｔｉｖｅｍａｇｎｅｔｉｃｂｅａｒｉｎｇ（ＡＭＢ）ｉｓｏｎｅｏｆｔｈｅｔｙｐｉｃａｌｍｅｃｈａｔｒｏｎｉｃｐｒｏｄｕｃｔｓａｎｄａｎｅｗｔｙｐｅｏｆｈｉｇｈｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｂｅａｒｉｎｇｗｈｉｃｈｓｕｓｐｅｎｄｓｔｈｅｒｏｔｏｒｉｎａｃｏｎｔａｃｔ－ｆｒｅｅｍａｎｎｅｒ．Ｓｉｎｃｅｉｔｈａｓｍａｎｙａｄｖａｎｔａｇｅｓ，ｓｕｃｈａｓｎｏｍｅｃｈａｎｉｃａｌｃｏｎｔａｃｔ，１１０ｆｒｉｃｔｉｏｎ，ｌｏｗｅｒｐｏｗｅｒｃｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎ，ｌａｓｔｉｎｇｓｅｒｖｉｃｅｌｉｆｅａｎｄｗｉｔｈｏｕｔｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌｐｏｌｌｕｔｉｏｎ．Ｉｎｏｒｄｅｒｔｏｍａｋｅｍｏｒｅｍａｇｎｅｔｉｃｂｅａｒｉｎｇｓｉｎｔｈｅｉｎｄｕｓｔｒｙｇｅｔａｂｅｔｔｅｒａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ，ｗｅｍｕｓｔｍａｋｅｉｔｓｓｔｒｕｃｔｕｒｅｍｏｒｅｓｉｍｐｌｅａｎｄｉｔｓｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｍｏｒｅｅｘｃｅｌｌｅｎｔ，ｒｅａｌｉｚｉｎｇｔｈｅｒｅｕｎｉｆｉｃａｔｉｏｎｏｆｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅａｎｄｃｏｓｔｉｓａｎｉｍｐｏｒｔａｎｔｒｅａｌｉｓｔｉｃｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｃｅ．ｔｈｉｓｐａｐｅｒｉｓｔｏｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎｏｆｔｈｅｄｅｓｉｇｎｔｏｔｈｅｒａｄｉａｌｍａｇｎｅｔｉｃｂｅａｒｉｎｇｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ，ｆｒｏｍｔｈｅｐｅｒｓｐｅｃｔｉｖｅｏｆｓｔａｒｔｉｎｇｗｉｔｈｔｈｅａｎａｌｙｓｉｓｏｆｔｈｅｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃｆｉｅｌｄ，ｆｏｒｍａｋｉｎｇｉｔｔｏｂｅｔｔｅｒａｐｐｌｉｅｄｔｏｇｒｉｎｄｅｒ．Ｄｅｔａｉｌｓａｒｅａｓｆｏｌｌｏｗｓ：１．Ｍａｇｎｅｔｉｃｂｅａｒｉｎｇｓｏｎｔｈｅｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃｆｉｅｌｄａｎａｌｙｓｉｓ，ｇｉｖｅｎｔｈｅｍａｇｎｅｔｉｃｂｅａｒｉｎｇｓｏｆｔｈｅＭａｘｗｅｌｌｅｑｕａｔｉｏｎｓａｎｄｔｈｅｆｉｎｉｔｅｅｌｅｍｅｎｔｍｅｔｈｏｄｗｉｍｒａｄｉａｌｍａｇｎｅｔｉｃｂｅａｒｉｎｇｆｏｒｔｈｅｇｅｎｅｒａｌｓｅｔｐｓ．２．ＩｔｍａｋｅｓｄｅｔａｉｌｅｄａｎａｌｙｓｉｓｏｎｔｈｅｓｔｒｕｃｔｕｒｅｏｆｒａｄｉａｌｍａｇｎｅｔｉｃｂｅａｒｉｎｇｂｙＭａｘｗｅｌｌｂｙａｎｓｏｔｌｅｍｂｒａｃｅｉｎｇ，ａｎｄｇｅｔｓｓｅｖｅｒａｌｇｕｉｄｉｎｇｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｃｅｏｆｔｈｅｃｏｎｃｌｕｓｉｏｎｓｔｏｔｈｅｄｅｓｉｇｎｏｆｔｈｅｓｔｒｕｃｔｕｒｅ．３．Ｉｔｄｅｔａｉｌｓｔｈｅｇｅｎｅｒａｌｄｅｓｉｇｎｓｔｅｐｓｏｆｒａｄｉａｌｍａｇｎｅｔｉｃｂｅａｔｉｎｇｏｎｔｈｅｓｔｒｕｃｔｕｒｅ，ａｎｄｉｔｓｔｈｅｒｍａｌｅｑｕｉｌｉｂｒｉｕｍａｎａｌｙｓｉｓ．４．Ｂａｓｅｄｏｎｔｈｅｆｏｒｅｇｏｉｎｇｃｏｎｃｌｕｓｉｏｎｓｏｆｔｈｅａｎａｌｙｓｉｓｏｆｔｈｅｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃｆｉｅｌｄａｎｄｒａｄｉａｌｍａｇｎｅｔｉｃｂｅａｒｉｎｇｔｈｅｇｅｎｅｒａｌｄｅｓｉｇｎｐｒｏｃｅｓｓ，ｔｈｉｓｐａｐｅｒｐｒｅｓｅｎｔｓｔｗｏｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎｏｂｊｅｃｔｉｖｅｓ，ａｎｄｇｉｖｅｔｈｒｅｅｓｐｅｃｉｆｉｃａｌｇｏｒｉｔｈｍｓ．５．ＩｔｐｒｅｐａｒｅｓｔｈｅｍａｇｎｅｔｉｃｂｅａｒｉｎｇｓｙｓｔｅｍｄｅｓｉｇｎｓｏｆｔｗａｒｅｗｉｔｈＶｉｓｕａｌＢａｓｉｃ，ａｎｄｉｎａｄｄｉｔｉｏｎｔｏｔｈｅｄｅｓｉｇｎｏｆｐｒｏｔｏｔｙｐｅｓａｎｄｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｒｅｓｕｌｔｓ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：Ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃｆｉｅｌｄａｎａｌｙｓｉｓ；ＭａｇｎｅｔｉｃＢｅａｒｉｎｇｓ；ＳｔｒｕｃｔｕｒａｌｄｅｓｉｇｎｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎＩＩ原创性声明本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究所取得的成果。
径向流体支点可倾瓦轴承润滑特性分析
Vol. 55 No. 5May2021第55卷第5期2021年5月西安交通大学学报JOURNAL OF XI'AN JIAOTONG UNIVERSITY径向流体支点可倾瓦轴承润滑特性分析王晓红S 常山S 裴世源"#.中国船舶集团有限公司第703研究所,150036,哈尔滨；2.西安交通大学现代设计及转子轴承系统教育部重点实验室，710049,西安）摘要：针对径向流体支点可倾瓦轴承结构复杂、瓦块浮动状态难以预测的问题，提出了内层动压油 膜和外层静压油膜相互耦合的润滑分析模型与求解方法％对比分析了不同工况下传统固定瓦轴 承、机械支点可倾瓦轴承和流体支点可倾瓦轴承的润滑特性，发现流体支点可倾瓦轴承的膜厚、膜 压、膜温等关键静特性参数均优于传统固定瓦轴承和机械支点可倾瓦轴承；直接刚度和直接阻尼等动特性参数高于传统轴承约一个数量级，故其可显著提升轴承安全性和转子系统的稳定性；在某些工况下瓦块存在两个平衡状态，可能导致瓦块浮动状态和轴承润滑性能发生突变％研究结果可为设计高可靠性流体支点可倾瓦轴承提供一定的参考％关键词：流体支点可倾瓦轴承；润滑理论；动静压耦合；浮动状态中图分类号：TH133. 31 文献标志码：ADOI ： 10. 7652/xjtuxb202105008 文章编号：0253-987X （2021）05-0065-08Analysis on Lubrication Performance of Fluid PivotTilting Pad Journal BearingsOSID 码WANG Xiaohong 1, CHANG Shan 1, PEI Shiyuan 2(1.No.703ResearchInstituteofChinaStateShipbuildingCorporationLimited &Harbin150036&China '2.KeyLaboratory of Education Ministry for Modern Design and Rotor-Bearing System, Xi'an Jiaotong University , Xi'an 710049, China)Abstract ： Tosolvetheproblem of pads floating state prediction of the fluid pivot tilting padjournal bearing & a lubrication analysis model considering the coupling effects of innerhydrodynamicfilm and outer hydrostatic film wasproposed.Thelubricationcharacteristicsoftraditionalfixed pad bearing , mechanicalpivottilting pad bearing and fluid pivottilting pad bearing under di f erent working conditions were compared. The results show that static characteristicsofthefluidpivottiltingpadbearing , suchasthefilmthickness ,filmpressureandfilmtemperature , are be t er than that of the traditional fixed pad and tilting pad bearings. Moreover , the direct sti f ness and damping are about an orderof magnitude higher than the traditionalbearings.Therefore , fluid pivottilting pad bearing can significantlyimprovethebearing safety and the stability of rotor system. However , pads may suffer two equilibrium states under certain working conditionF &which wi l reFultinunFtableworkingFtateandFuddenchangeofbearingperformance.ThiFwork mayprovidereferencefordeFigningthefluidpivottiltingpad journalbearingF.Keywords ： fluidpivottilting-padbearing 'lubricationtheory 'preFFurecoupling 'floatingFtate收稿日期：2020-12-12o 作者简介：王晓红（1983—）,女，高级工程师；裴世源（通信作者），男，副研究员。
安世亚太：基于ANSYS WB平台的滑动轴承分析工具(一)
本文主要针对Tribo-X inside ANSYS的功能及各方向应用实例进行介绍，限于篇幅关系会分五篇进行介绍，第一篇主要结合软件的需求、理论、功能及应用方向进行介绍，第二篇至第五篇将结合具体应用方向的示例进行介绍。
本篇为第一篇。
一、滑动轴承计算应用场景滑动轴承大量用于旋转机械结构，系统力学行为与滑动轴承的特性参数密切相关，有必要对滑动轴承进行计算以获取轴承参数，研究轴承受力状态，如油膜压力、油膜间隙、轴承剪力、油膜刚度、油膜阻尼等。
但滑动轴承计算在本质上属于复杂的多物理场问题，涉及流体力学、结构力学、热力学，而且尺度极小，通常间隙量仅为数十到数百微米，经典三维CFD或者有限元计算难度很大。
基于ANSYS WB平台开发的滑动轴承计算工具Tribo-X inside ANSYS是基于热弹油膜动力学的滑动轴承求解器，它采用合理简化算法，实现从3D计算到2D计算的转换，基于简单模型快速完成滑动轴承计算。
Tribo-X inside ANSYS将Tribo-X求解器集成到ANSYS Workbench环境中，基于ANSYS环境建模、设置滑动轴承计算参数并驱动Tribo-X求解器实现滑动轴承快速计算，解决了传统CAE 方法难以计算滑动轴承的困难，可以获取轴承重要参数，研究轴承受力状态，预测旋转轴承系统的稳定性，对轴承参数进行设计优化，并可以将轴承计算与ANSYS Mechanical结构计算联合，精确考虑轴承特性对系统力学特性（如转子动力学）的影响。
二、Tribo-X inside ANSYS概述1、适用的轴承目前版本功能支持的滑动轴承类型如图所示：图-适用于TriboX-inside ANSYS进行分析的轴承（红线框内）2、合理假定油膜间隙远小于轴承尺寸厚度方向压力不变3、理论公式TriboX-inside ANSYS基于TEHD（热弹油膜动力学）的油膜轴承求解器，图-润滑方程图-三维NS方程(CFD)与二维雷诺方程（Tribo-X）计算结果对比●RDE与CFD计算结果存在微小偏差●RDE计算时间明显低于CFD的计算时间4、应用方向Tribo-X求解器集成在ANSYS Workbench环境中，二者优势互补。
磁悬浮轴承稳定性分析
磁悬浮轴承稳定性分析磁悬浮轴承（Magnetic Bearing）是利用磁力作用将转子悬浮于空中，使转子与定子之间没有机械接触。
与传统的滚珠轴承，滑动轴承以及油膜轴承相比，磁轴承不存在机械接触，转子的转速可以运行到很高，具有机械磨损小，能耗低，噪声小、寿命长、无需润滑，无油污染等优点，特别适用于高速、真空、超净等特殊环境。
这项技术是20世纪60年代中期在国际上开始研究的一项新的支撑技术。
在各个领域都有着广泛的应用。
本文主要分析磁悬浮轴承的稳定性问题。
文章的第一部分介绍了磁悬浮轴承在国际和国内的发展与研究现状，并分析了磁悬浮轴承的一些特点。
文章的第二部分对磁悬浮轴承的稳定性进行了讨论，先论证了永磁轴承无法实现自稳定，然后对电磁轴承的稳定性进行了分析。
关键词：磁悬浮，轴承，电磁轴承，永磁轴承，稳定性第一章引言第一节磁悬浮轴承的研究背景国际上很早就有了利用磁力使物体处于无接触悬浮状态的设想, 但其实现却经历了很长的一段时间。
1842 年, Earnshow 证明: 单靠永磁体不能将一个铁磁体在所有 6 个自由度上都保持在自由稳定的悬浮状态.真正意义上的磁悬浮研究开始于20世纪初的利用电磁相吸原理的悬浮车辆研究，1937 年, Kenper 申请了第一个磁悬浮技术专利, 他认为，要使铁磁体实现稳定的磁悬浮, 必须根据物体的悬浮状态不断的调节磁场力的大小,因此必须采用可控电磁铁,这也是以后开展磁悬浮列车和磁悬浮轴承研究的主导思想。
随着现代控制理论和电子技术的飞跃发展, 20世纪 60 年代中期对磁悬浮技术的研究跃上了一个新台阶。
日本、英国、德国都相继开展了对磁悬浮列车的研究。
资料记载: 1969 年, 法国军部科研实验室(LRBA ) 开始对磁悬浮轴承的研究; 1972 年,第一个磁悬浮轴承用于卫星导向轮的支撑上, 从而揭开了磁悬浮轴承发展的序幕。
此后, 磁悬浮轴承很快被应用到了国防、航天等各个领域。
1983年11月，美国在搭载在航天飞机上的欧洲空间试验仓里采用了磁悬浮轴承真空泵; 同年，日本将磁悬浮轴承列为 80 年代新的加工技术之一, 1984 年, S2M 公司与日本精工电子工业公司联合成立了日本电磁轴承公司, 在日本生产、销售涡轮分子泵和机床电磁主轴等。
多孔质气体静压径向轴承的Fluent仿真与实验研究
多孔质气体静压径向轴承的Fluent仿真与实验研究张卫艳;林彬;张晓峰【摘要】多孔质气体静压轴承相比传统的小孔节流轴承具有更高的承载能力,更好的稳定性及便于加工等优点.应用基于有限体积法的软件Fluent分析偏心率、多孔质材料渗透率、轴承长径比和平均气膜厚度等关键因素对多孔质径向轴承静态性能的影响,分析结果显示,在给定轴承平均气膜厚度的情况下,存在最佳的渗透率区间使得承载能力最大,增加轴承长径比和减小平均气膜厚度均可以提高多孔质径向轴承的承载能力及刚度,但需要根据加工装配工艺要求及实际工况选择合适的参数.设计制造中心供气新形式的多孔质径向轴承,通过仿真得到气膜间隙的压力分布及承载能力,并通过实验验证仿真结果的正确性.仿真和实验结果表明,该结构形式的多孔质径向轴承承载性能优良.%Compared with conventional orifice air bearing,porous aerostatic bearings possess many advantages such as higher load capacity,better stability and manufacturing convenience.The effect of the key factors such as eccentricity,porous material permeability,bearing aspect ratio and average film thickness on the static performance of porous aerostatic bearings were analyzed with the commercial software Fluent which was based on finite volume method.The analysis results show that,there is an optimum permeability interval which can make the load capacity maximum under a certain average film thickness.The load capacity and stiffness of the porous air journal bearing can be improved by increasing the bearing aspect ratio and reducing the average film thickness.However,the parameters need to be carefully chosen by taking the requirements of manufacture,assembly and workingcondition into consideration.New form of centrally air supply porous journal bearing was designed and fabricated,the pressure distribution of gas film was obtained and load capacity was calculated.The validity of simulation results was verified by static performance experiment.The results of simulation and experiment indicate that the porous journal bearing with this structttral form has excellent performance.【期刊名称】《润滑与密封》【年(卷),期】2018(043)003【总页数】8页(P23-30)【关键词】多孔质径向轴承;渗透率;Fluent仿真;静态性能【作者】张卫艳;林彬;张晓峰【作者单位】天津大学先进陶瓷与加工技术教育部重点实验室天津300354;天津大学先进陶瓷与加工技术教育部重点实验室天津300354;天津大学先进陶瓷与加工技术教育部重点实验室天津300354【正文语种】中文【中图分类】TH133多孔质气体静压轴承是一种轴承工作表面随机地分布着无数微小供气孔的气体轴承，将采用粉末冶金方法制备出的多孔质材料作为静压气体轴承的节流器，可以获得比小孔节流轴承更高的承载能力及良好的阻尼特性及稳定性[1]。
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波箔式空气轴承箔片支承结构分析的研究进展刘文琰;夏新沛;陈巍;何平;郭宝亭【摘要】As the special part of air foil bearings,top foil and bump-type foil strip have a high impact on the performance of foil bearings. The progress of researches on calculations of stiffness made by domestic and foreign scholars was summarized, illustrates that how the effect of friction and stiffness distribution on the property of foil bearing was illustrated and the theory basis for trends in foil structure design was pointed out. The deformation of top foil which is used to be ignored was investigated.%箔片结构作为箔片气体轴承的特殊组成部分,对轴承性能的影响很大.总结国内外学者对箔片结构刚度的研究情况以及库仑摩擦、刚度分布影响箔片结构性能的机制,指出箔片轴承结构发展趋势的理论依据.对一直被忽略的平箔变形问题进行阐述和相应的机制分析.【期刊名称】《润滑与密封》【年(卷),期】2011(036)010【总页数】6页(P102-106,114)【关键词】箔片式空气轴承;箔片结构刚度;摩擦;刚度分布;平箔变形【作者】刘文琰;夏新沛;陈巍;何平;郭宝亭【作者单位】中国科学院工程热物理研究所,北京,100190;中国科学院研究生院,北京,100190;中国科学院工程热物理研究所,北京,100190;中国科学院研究生院,北京,100190;中国科学院工程热物理研究所,北京,100190;中国科学院工程热物理研究所,北京,100190;中国科学院研究生院,北京,100190;中国科学院工程热物理研究所,北京,100190【正文语种】中文【中图分类】TH133.35箔片气体轴承是一种利用空气作为润滑介质的滑动轴承。
与传统的油轴承类似，箔片气体轴承利用空气的黏性来提高轴承和箔片之间的气膜压力，从而使轴承起浮。
由于气膜压力是由动压效应产生的，不需要额外的供气装置，箔片轴承的使用显著地降低了微型燃气轮机系统的复杂性和运行成本，提高了效率和工作寿命［1－2］。
由于箔片是弹性的，轴颈在转动时处于一个动态的平衡状态，弹性箔片能够随时通过改变自身的形状调整工作间隙，从而使轴颈稳定转动。
在有外界冲击产生振动或不对中的情况下，箔片轴承这种自适应性能够克服相关不利的影响。
其次，轴颈起浮所需要的力是由轴颈高速旋转所形成的气膜压力和箔片变形的弹性力共同提供的，且箔片的引入增大了轴承刚度。
根据Della Corte［3］对轴承承载效果的定义，通过改进箔片结构本身，可以使承载力系数D从0.07增加到1.4。
另外相比于气体静压轴承和刚性表面轴承，箔片轴承对于装配工艺以及接触面的粗糙度要求较低，转子和轴承内壁面的装配间隙可以达到几十到上百微米，从而显著地降低了装配难度。
但是由于空气的黏性过低，箔片气体轴承的承载力要比传统的油轴承小很多。
因此目前在箔片轴承的发展中也由此存在着三大难题亟待解决:(1)足够的承载力;(2)高温下的启停润滑特性;(3)可靠的、可控的设计方法和设计准则［3－4］。
在箔片轴承的发展中，围绕着这三大难题箔片结构有着很大的变化，前后出现了三代轴承。
如图1所示。
第一代箔片轴承主要是波箔型和悬臂型，箔片结构装配时的预紧力很小，导致箔片在气膜力的作用下变形较大，承载力较低。
第二代箔片轴承在第一代的基础上，改变了箔片结构沿周向的分布，用来抵消箔片结构周向分布的不均匀性，从整体上提高箔片结构刚度。
第三代箔片轴承的底层支承波箔采用轴向分条、周向错开的形式。
这种结构将保证轴承在整个承载面上的结构刚度一致，增加轴承的结构阻尼，从而有效地提高承载力［5］。
国外在箔片轴承技术的发展中更多是偏重于对轴承内部机制的分析，包括轴承稳定性、承载力以及结构特点的分析，并通过大量的实验进行验证。
由于国内相对研究得较晚，现在主要处于一个实验探索的阶段，虽然对轴承内部的物理问题有了一定的理解，但还缺乏对箔片轴承动力特性的认识。
图1 第一代到第三代波箔式空气轴承的结构Fig 1 The structure of bump-type foil bearing(From 1stto 3rdgeneration)(a)the 1stgeneration of BTFB;(b)the2ndgeneration of BTFB;(c)the 3rdgeneration of BTFB基于目前国内外研究的进展情况，本文作者对国内外关于箔片结构刚度的分析进行总结，可为轴承的设计提供依据。
同时对库仑摩擦对轴承的影响进行分析，重新认识其对轴承运行的作用。
另外，根据箔片轴承发展的情况，对箔片轴承的发展原因进行分析。
最后，对平箔结构对轴承性能的影响进行分析计算，提供定性的分析结果。
1 波箔式箔片气体轴承箔片结构的支承刚度波箔式箔片气体轴承的承载刚度由两部分组成:一部分是支承拱箔的结构刚度，另一部分是由动压效应产生的气膜刚度。
在低转速时，由于动压效应不明显，气膜不稳定，转子结构的波动载荷主要由波箔承受并转化成变形能，以保证一定的气膜厚度，防止转子和波箔直接接触而产生磨损。
当高转速时，气膜刚度足以支承转子，但转子的涡动能量需要通过箔片结构的弹性变形来吸收，从而确保运转的稳定性。
由于箔片结构刚度和气膜刚度所起的作用不一样，二者存在相互匹配的问题。
如果箔片结构刚度过大，则箔片气体轴承类似于刚性表面轴承，高转速下箔片结构无法抑制自激振荡。
如果箔片结构刚度过小，容易出现抱轴而损坏转子。
文献［6］指出，在高转速时，箔片结构刚度应该低于气膜刚度的2倍以保证良好的匹配作用。
图2为波箔结构的示意图。
图2 波箔结构的示意图Fig 2 Schematic description of foils因此，箔片结构刚度的精确计算对轴承的设计和性能的改进是非常有帮助的。
但从模型分析的复杂程度上来讲，在计算的时候存在几个难点:(1)是否考虑波箔和轴颈之间的摩擦;(2)是否考虑波箔和平箔之间的摩擦;(3)是否考虑波纹之间的相互作用;(4)是否考虑波箔沿轴向的刚度变化。
过去数十年的研究过程中，以上这些因素也是箔片性能分析的重点。
H Heshmat等［7］在不考虑摩擦影响以及波纹间的相互作用的条件下，计算了在不同偏心率、轴承数、波纹结构参数下的压力分布和气膜间隙分布。
虽然其结果能从定性的角度提供参考，但其刚度公式和波纹高度无关本身就是不准确的。
王兆伍等［8］考虑了摩擦的影响，但是假设所有波纹的局部刚度相同。
根据箔片结构装配的特点，箔片一端固定在轴颈上，一端自由。
在固定端存在紧固力，此处箔片结构所受的静摩擦力较大;在自由端，由于波箔直接搭接在轴承上，所受静摩擦力较小，从固定端到自由端由于所受的摩擦力不同必然导致波箔的不同波纹的刚度不同，所以假设波纹具有相同的局部刚度是不准确的。
Ku 和 Heshmat［9－10］从理论角度研究了止推箔片气体轴承箔片的变形机制，考虑了平箔和波箔、波箔和轴承壁间的摩擦以及波纹间的相互作用情况。
研究指出波箔提供的刚度主要和变形量有关，而波纹间的相互作用和各接触面间的摩擦提供了阻尼，其结果在之后的实验中进一步得到验证。
崔明现等［11］在考虑了诸多因素后，得出了计算波箔局部结构刚度的简化公式。
与之前不考虑摩擦和不考虑波纹间相互影响的公式相比较，具有更高的精度和准确性。
龚焕孙等［12］提供了由局部刚度公式到整体刚度的计算方法，但其假设压力分布在轴向分布均匀是不准确的，公式只具有一定的参考意义。
戚社苗［13］通过对径向轴承的箔片结构做整体分析，综合考虑了摩擦、箔片间相互作用等影响因素，给出了箔片结构的刚度矩阵，对于计算箔片结构的变形有较大价值，但其忽略了箔片结构沿轴向的变形差异。
现有分析对于箔片结构的静态刚度计算还存在一定的简化，主要以二维模型为主，目前还没有提出考虑所有因素的模型。
2 库仑摩擦对箔片气体轴承性能的影响相比于刚性表面轴承，箔片气体轴承具有很好的自适应性。
箔片结构内部的库仑摩擦是轴承阻尼的重要来源。
库仑摩擦阻尼主要来自两部分，分别是平箔和波箔之间的摩擦、波箔和轴承内壁面间的摩擦。
Walowit和Anno［14］最早对箔片结构提出弹性分析模型时，就对箔片和摩擦进行了分析和考虑，并最终提出了箔片结构单个波纹的刚度公式。
该公式在不考虑摩擦的情况下可简化为式中:DB是波纹的抗弯刚度;l0为波纹弦长的1/2。
该公式对于简化运算很有帮助，但其结果与考虑摩擦的情况差别较大。
考虑摩擦修正后的刚度公式为式中:EB、tB、νB、RB分别为波纹结构的弹模量、厚度、泊松比和波纹曲率半径;η为波箔和轴承内壁间的摩擦因数;θ0为波纹所对应圆心角的1/2;s=sinθ0;c=cosθ0;α =(tB/RB)2/12 。
公式 (2)具有一定的精度。
虽然库仑摩擦会改变箔片结构的刚度，但对于提高箔片轴承的承载力并没有太大的作用。
Lee等［15］计算了在改变平箔和波箔间的摩擦因数μ以及η的情况下，轴承稳定运行时最小气膜厚度的变化情况，结果表明μ和η的变化对最小气膜厚度并没有太大的影响，而Kim［16］从另一个角度证明了承载力对箔片结构的刚度分布是不敏感的。
由此，通过改变摩擦因数来改变刚度分布从而间接影响承载力的大小是无法实现的。
图3 转子所受激振力的示意图Fig 3 Schematic description of shaft interrupted by the unbalance force箔片轴承的承载力应该主要通过气膜内的动压效应提供，箔片结构主要为轴承的稳定运行提供支持。
过去的研究认为由于箔片本身是弹性结构，并且箔片结构内存在库仑摩擦，箔片结构同时提供了弹性阻尼和库仑阻尼，而这些阻尼是减小转子振动幅度，增强能量耗散的原因［17－18］。
Iordanoff等［19］通过计算研究发现，增大摩擦因数μ和η可以减小转子的振动幅度，抑制不稳定量，但是当摩擦因数过大时转子的振动幅度反而增大，这与增大摩擦因数可以增强能量耗散是相矛盾的。
通过进一步研究发现，增大μ和η反而减小了能量耗散。
由于偏心质量的存在，转子在运行时受到偏心质量所给的激振力W的作用，如图3所示。