高速靜壓氣體軸承——轉子系統的特性研究.pdf

1、靜壓氣體軸承具有運轉速度高、精度高、能耗低等優(yōu)點，在高速精密機床、精密測量儀器、高速轉子等設備上具有良好的適用性。當前，隨著轉子速度的不斷提高，一方面高轉速帶來的動壓效應對軸承的動靜態(tài)特性影響更加突出，雷諾方程無法滿足流場精確計算的需求；另一方面高轉速導致的諸多非線性因素使轉子動力學的線性理論無法滿足高速氣體軸承—轉子系統的研究需求。
　　 本文以提高高速靜壓氣體軸承—轉子系統的穩(wěn)定性為目的，針對靜壓氣體軸承的流場計算、靜壓氣體

2、軸承的動靜態(tài)特性分析、氣體軸承—轉子系統特性的耦合研究、系統特性的實驗測試等方面開展了系統深入的研究，主要研究內容包括：
　　 分析不同流場數值計算方法對靜壓氣體軸承的適用性。以靜壓氣體止推軸承為研究對象，采用基于雷諾方程的有限差分法及基于N—S方程的有限體積法中的層流模型、湍流模型及二者混合等四種方法對靜壓氣體軸承的流場進行計算。雷諾方程和湍流模型無法滿足流場精確計算的需求；選擇基于N—S方程的層流模型作為高速靜壓氣體軸承研究

3、中的計算方法。
　　 采用三維流場計算方法研究軸承結構及工況對靜壓徑向氣體軸承動靜態(tài)特性的影響。采用分區(qū)劃分、局部加密的三維建模方法；通過旋轉坐標系與靜態(tài)網格相結合的方法實現靜壓氣體軸承動態(tài)特性的三維計算。計算結果表明：高速狀態(tài)下，動壓效應提高了軸承的主承載能力及剛度，偏心率越大，動壓效應越明顯；隨著轉速的增高，主剛度增大，主阻尼減小，交叉剛度和交叉阻尼的變化則因偏心率的不同而不同；隨著供氣壓力的提高，主剛度增大，交叉剛度則在大

4、偏心范圍內隨供氣壓力提高而增大，阻尼的變化則因轉速和偏心率的不同而不同；高轉速、大偏心狀態(tài)下，受動壓效應的影響，環(huán)面節(jié)流靜壓氣體軸承的主剛度和交叉阻尼大于小孔節(jié)流，而交叉剛度和主阻尼則小于小孔節(jié)流；隨著供氣孔個數的增加，主阻尼增大，安裝方式對軸承特性的影響可以忽略；切向供氣提高了軸承的主阻尼，減小了交叉剛度，有利于提高系統的穩(wěn)定性，但耗氣量較大。
　　 提出一種基于CFD計算結果的靜壓氣體軸承—轉子系統特性的耦合研究方法。通過對

5、不同工況下氣膜力的CFD計算結果的擬合，得到氣膜力隨轉速和偏心率變化的非線性關系式；將所得的擬合關系式與轉子動力學方程進行耦合求解，實現流場精確計算結果與轉子動力學方程的耦合，充分考慮動壓效應及轉子位移對系統特性的影響。氣膜力的非線性使系統中不平衡量的改變和響應幅值的增加不是線性變化關系。
　　 設計并搭建高速軸承—轉子系統的測試系統，設計新型切向非均勻孔徑供氣和新型垂直分區(qū)非均勻壓力供氣的靜壓氣體軸承，并對不同軸承結構和工作狀

6、態(tài)下的系統特性進行測試對比分析。提出一種基于靜壓氣體軸承原理的高速軸承—轉子系統非接觸式加載方法。所提出的基于CFD計算結果的系統特性的耦合研究方法具有較高的計算精度；與垂直供氣相比，切向供氣軸承能夠減小轉子的跳動幅值，定性地證明動態(tài)特性理論分析的正確性；新型切向非均勻孔徑供氣軸承可以有效地提高系統的穩(wěn)定性；新型垂直分區(qū)非均勻壓力供氣軸承能夠減小一階臨界轉速附近的跳動幅值，但其后出現了局部增大現象；實驗工況下，加載會增加額外的系統振動，