氣體動(dòng)壓徑向軸承性能設(shè)計(jì)計(jì)算【文獻(xiàn)綜述】

1、<p><b>　　畢業(yè)設(shè)計(jì)開(kāi)題報(bào)告</b></p><p>　　機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化</p><p>　　氣體動(dòng)壓徑向軸承性能設(shè)計(jì)計(jì)算</p><p><b>　　1前言部分</b></p><p>　　氣體軸承是一種理想的支承元件。與滾動(dòng)軸承及油潤(rùn)滑滑動(dòng)軸承相比,氣體軸承具有速度高、

2、精度高、功耗低和壽命長(zhǎng)四大優(yōu)點(diǎn),同時(shí),它打開(kāi)了常規(guī)支承所長(zhǎng)期回避的一些潤(rùn)滑禁區(qū),應(yīng)用范圍越來(lái)越廣。</p><p>　　氣體潤(rùn)滑的主要特征表現(xiàn)為氣體的可壓縮性,因此可壓縮流體Reynolds 方程是氣體軸承性能計(jì)算的基本方程,這個(gè)非線性偏微分方程僅對(duì)于特殊的間隙形狀才可能求得解析解,而對(duì)于一般的氣體潤(rùn)滑問(wèn)題,無(wú)法用解析方法求得精確解。</p><p>　　在氣體軸承的性能計(jì)算中,通常使用近

3、似解法或數(shù)值解法。數(shù)值解法所得到的計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果更為接近,所以被廣泛采用。最常用的數(shù)值方法是有限差分法、有限元法和邊界元。數(shù)值方法雖然是求解氣體軸承性能的有效途徑,但是這些算法本身都是相當(dāng)復(fù)雜的,而計(jì)算程序的編制和調(diào)試過(guò)程又是非常耗時(shí)的。因此尋求一種簡(jiǎn)單、高效的氣體軸承性能計(jì)算方法,無(wú)疑具有重要的工程意義。MATLAB 的PDE工具箱為這種方法提供了可能。</p><p>　　MATLAB PDE 工具箱在許

4、多學(xué)科中得到有效的應(yīng)用,但這些應(yīng)用大多局限于在圖形用戶界面中對(duì)符合PDE 工具箱要求的標(biāo)準(zhǔn)形式的偏微分方程進(jìn)行直接求解,對(duì)于非標(biāo)準(zhǔn)形式的復(fù)雜偏微分方程,這種方法是無(wú)能為力的。</p><p>　　本課題研究如何通過(guò)數(shù)學(xué)變換,將描述動(dòng)壓氣體潤(rùn)滑的可壓縮流體Reynolds 方程變換成標(biāo)準(zhǔn)的橢圓型偏微分方程形式,進(jìn)而以MATLAB 的PDE 工具箱為求解器,編制迭代計(jì)算程序,實(shí)現(xiàn)動(dòng)壓氣體軸承性能的高精度計(jì)算。<

5、/p><p><b>　　2主題部分</b></p><p>　　潤(rùn)滑理論及選型 經(jīng)典的彈流理論考慮了固體表在流體動(dòng)壓作用下的彈性變形、潤(rùn)滑劑的粘度和可壓縮性，其預(yù)測(cè)的油膜厚度不能滿意地解釋為什么牽引力的數(shù)值是隨著滾動(dòng)速度或滑動(dòng)速度變化的。而邊界潤(rùn)滑狀態(tài)和薄膜潤(rùn)滑狀態(tài)兩種新理論的提出為這一問(wèn)題的解決奠定了基礎(chǔ)，但這種潤(rùn)滑狀態(tài)尚未被完全認(rèn)知，其計(jì)算方法和模型尚在研究中，是目

6、前摩擦學(xué)研究的主要問(wèn)題。近年來(lái)多相流體潤(rùn)滑研究更加豐富和發(fā)展?jié)櫥碚摚瑸闈?rùn)滑系統(tǒng)濾清設(shè)計(jì)、固體添加劑設(shè)計(jì)以及潤(rùn)滑與磨損研究相結(jié)合提供了重要的理論指導(dǎo)。潤(rùn)滑選型設(shè)計(jì)一般從潤(rùn)滑劑類型選擇和潤(rùn)滑方式兩方面入手：潤(rùn)滑劑應(yīng)根據(jù)其粘度來(lái)確定；常用的潤(rùn)滑方式有滴油、浴油、濺油、強(qiáng)迫潤(rùn)滑等，根據(jù)摩擦副的運(yùn)動(dòng)速度來(lái)確定。</p><p>　　早在1854年，法國(guó)人G.A.伊恩就提出過(guò)用氣體作潤(rùn)滑劑的設(shè)想。 1896年第一個(gè)空氣軸承

7、問(wèn)世。 1913年英國(guó)人W.J.哈里森發(fā)表氣體潤(rùn)滑軸承流體動(dòng)力學(xué)分析的論文。 50年代以來(lái)，氣體軸承的應(yīng)用逐步擴(kuò)大，并受到廣泛和深入的研究。</p><p>　　國(guó)內(nèi)波箔型徑向軸承的研究進(jìn)展 我國(guó)對(duì)波箔型動(dòng)壓氣體軸承的研究相對(duì)較晚，20世紀(jì)90年代初，上海理工大學(xué)、中國(guó)航空工業(yè)第609所等曾對(duì)波箔型和懸臂型箔片軸承進(jìn)行過(guò)初步研究。2006年，楊利花、石建華和劉恒等建立試驗(yàn)臺(tái)對(duì)起飛轉(zhuǎn)速、承載能力及其動(dòng)特性等進(jìn)行了試

8、驗(yàn)研究，采用摩擦力矩法和徑向</p><p>　　位移響應(yīng)頻譜法判定軸承的起飛轉(zhuǎn)速，這標(biāo)志著我國(guó)在波箔型氣體軸承的試驗(yàn)研究方面邁出了重要一步。2004和2005年，虞烈、戚社苗等引入柔性箔片的動(dòng)靜變形，將軸承動(dòng)態(tài)剛度和動(dòng)態(tài)阻尼的計(jì)算歸結(jié)為對(duì)動(dòng)態(tài)Reynolds方程和柔性支承結(jié)</p><p>　　構(gòu)動(dòng)態(tài)彈性變形方程聯(lián)立求解，在線性范圍內(nèi)為波箔型軸承支承的轉(zhuǎn)子系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)分析提供了一種方法 。

9、2006年，崔明現(xiàn)、候予等在波箔變形為彈性小變形、沿寬度方向變形相等的假設(shè)條件下，考慮波箔與接觸面之間的摩擦作用力，建</p><p>　　立波箔片力學(xué)模型進(jìn)行理論分析，得出計(jì)算波箔局部機(jī)構(gòu)剛度的簡(jiǎn)化公式并分析了影響波箔軸承結(jié)構(gòu)剛度的參數(shù)，可為軸承設(shè)計(jì)提供一定的指導(dǎo)作用。耿海鵬、戚社苗等引入輔助分析部件和利用剛體與柔性體間的多步非線性接觸算法求解大預(yù)緊多葉徑向軸承中的預(yù)緊變形和非線性接觸行為，將Reynolds方

10、程和非線性的接觸求解過(guò)程耦合起來(lái)迭代求解，得到大預(yù)緊效應(yīng)的多葉箔片軸承靜態(tài)承載性能，對(duì)進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)波箔型軸承具有重要意義。</p><p>　　國(guó)外波箔型徑向軸承的試驗(yàn)研究進(jìn)展</p><p>　　圖1第一代波箔型動(dòng)壓氣體徑向軸承</p><p>　　圖2三葉波箔型動(dòng)壓氣體軸承</p><p>　　圖3反向多葉箔片氣體徑向軸承</p&

11、gt;<p>　　圖4第三代波箔型動(dòng)壓氣體軸承</p><p>　　1982年，Heshmat H，Shapiro W和Gray S對(duì)圖1所示的單葉波箔軸承和圖2所示的三葉波箔軸承分別進(jìn)行了試驗(yàn)研究。這種變剛度梯度的三葉波箔軸承獲得了120 000 r／min的轉(zhuǎn)速，每一葉均形成各自的收斂楔，體現(xiàn)出極好的運(yùn)轉(zhuǎn)穩(wěn)定性能。單葉軸承(軸承直徑D為43．7 mm，軸承長(zhǎng)度 為34．9 mm)平箔片和波箔片接

12、觸面均鍍銅，獲得了轉(zhuǎn)速為68 000 r／min時(shí)533．8 N的承載能力，箔片表面鍍銅增加了箔片相對(duì)運(yùn)動(dòng)的庫(kù)侖摩擦作用，保證了軸承高速高載荷下的穩(wěn)定性 。1994年．，Heshmat H設(shè)計(jì)出如圖3所示的結(jié)構(gòu)軸承并在室溫環(huán)境中進(jìn)行試驗(yàn)研究，獲得了132 000 r／min的在當(dāng)時(shí)具有劃時(shí)代意義的最高轉(zhuǎn)速，承載力為727．8 N，軸承溫度為4O℃，氣膜的最高溫度值為175℃。該種結(jié)構(gòu)改善了軸承的剛度和阻尼特性，這種變剛度梯度結(jié)構(gòu)顯示出很

13、好的運(yùn)轉(zhuǎn)穩(wěn)定特性 。2000年，DellaCorte C和Lukaszewicz V等在溫度為25一650℃、載荷為l0—50 kPa的范圍對(duì)</p><p>　　如圖1所示的典型波箔片軸承進(jìn)行啟、停性能試驗(yàn)研究，箔片表面不鍍耐熱合金材料，而在軸頸表面采用等離子噴涂一層高性能的復(fù)合鍍層材料</p><p>　　P3O4(P304包含NiCr、Cr203、Ag、BaF2和CaF2等成分)，軸

14、承在650℃下實(shí)現(xiàn)了連續(xù)啟停100 000次，試驗(yàn)結(jié)果表明，P304可有效提高箔片軸承的摩擦性能，并較好解決高溫運(yùn)行問(wèn)題 引。Kevin Radii和Samuel'Howard等于20O2年對(duì)圖4所示的第三代波箔片軸承進(jìn)行了半徑間隙對(duì)軸承承載能力的影響試驗(yàn)，軸頸表面噴涂P304耐磨復(fù)合材料，結(jié)果表明半徑間隙對(duì)軸承承載能力產(chǎn)生很大影響，同時(shí)，第三代波箔軸承具有自身承載能力最高的最優(yōu)半徑間隙值，當(dāng)軸承半徑間隙低于其最優(yōu)值時(shí)，軸承會(huì)產(chǎn)

15、生高的預(yù)載荷、低承載能力并將出現(xiàn)熱失效現(xiàn)象。相反，當(dāng)軸承在高于其最優(yōu)半徑間隙下工作時(shí)，軸承出現(xiàn)低預(yù)載，最大承載能力降低大約20％ 。2004年，Malcolm K Stanford和DellaCorte C對(duì)圖1所示的波箔軸承進(jìn)行了摩擦磨損試驗(yàn)研究，對(duì)平箔片表面鍍Cu一1A1涂層，軸頸表面等離子噴鍍P304材料在25℃和650℃環(huán)境下進(jìn)行啟、停試驗(yàn)，結(jié)果表明cu一1 Al涂層有利于阻止平箔片在高溫下的磨損，體現(xiàn)出穩(wěn)定的摩擦性能 。<

16、;/p><p>　　國(guó)外波箔型徑向軸承的理論研究進(jìn)展。</p><p>　　1975年，英國(guó)學(xué)者Walowit J A和Anno J N首次從理論上分析了如圖1所示的單層一體的波箔型軸承，考慮波箔和軸承殼體之間的摩擦而忽略波箔片和平箔片之間的摩擦，分別建立波箔片和平箔片彈性彎曲變形模型，得出耦合箔片變形的氣膜厚度方程，將氣膜厚度方程代人一維Reynolds方程求得相應(yīng)的靜特性解析解，第一次從理

17、論上得到許多以往剛性表面軸承所沒(méi)有而波箔軸承所特有的優(yōu)良特性。1977年，Koepsel采用向前迭代法(Forward Iteration Method)首次將箔片軸承問(wèn)題當(dāng)成一個(gè)彈性流體動(dòng)力潤(rùn)滑(EHDL)問(wèn)題，用有限差分法求解了軸承特性 J。1983年，Heshmat H對(duì)如圖2所示軸承結(jié)構(gòu)進(jìn)行了理論分析，假設(shè)平箔片隨著波箔片變形而變形，將波箔片視為線性變形，首次引入箔片變形系數(shù)O／，給出了耦合箔片線性變形的氣膜厚度表達(dá)式，運(yùn)用有限

18、差分法耦合求解Reynolds方程和氣膜厚度方程組得到軸承靜特性，采用小擾動(dòng)法得到軸承的動(dòng)特性。1992年，Roger Ku C P和Heshmat Hu副綜合考慮波箔與軸承殼體或平箔之間的摩擦作用力、局部相互作用力、變載荷分布及波箔的幾何</p><p>　　W=β（LD）(DΩ)</p><p>　　式中：w為穩(wěn)態(tài)時(shí)最大載荷；β為軸承載荷系數(shù)；L為軸承長(zhǎng)度；D為軸頸直徑；Ω為轉(zhuǎn)速。&l

19、t;/p><p>　　該經(jīng)驗(yàn)公式對(duì)波箔型箔片軸承的設(shè)計(jì)和特性預(yù)估能夠起到一定的指導(dǎo)作用。2001年，Mohsen Salehi和Erik Swanson等通過(guò)“庫(kù)愛(ài)特近似”(Couette approximation)，假設(shè)與流體移動(dòng)應(yīng)變相比，壓力梯度對(duì)流體剪切作用的影響可忽略不計(jì)，這樣使能量方程在計(jì)算溫度場(chǎng)時(shí)大為簡(jiǎn)化，可實(shí)現(xiàn)能量方程Reynolds方程非耦合求解，得到波箔型徑向氣體軸承的熱力學(xué)特性，這為箔片軸承在一

20、定的工況范圍內(nèi)分析溫度效應(yīng)提供了一種合理處理方法。2004年，Pengz—cKhonafi M N在既考慮氣體可壓縮性并假設(shè)等溫情況下建立了波箔軸承的理論分析模型，另外假設(shè)轉(zhuǎn)軸軸頸總是沿著箔片變形量最大的方向移動(dòng)，偏心距和偏位角的大小由氣膜壓力分布最大值點(diǎn)的位置確定，同時(shí)給出了耦合箔片變形的 膜厚度迭代表達(dá)式，通過(guò)有限差分法將可壓縮Reynolds方程與氣膜厚度方程耦合求解，分析波箔軸承的靜特性，這種處理箔片變形和軸頸移動(dòng)的全新思想方法

21、值得參考和進(jìn)一步完善。2006年，Peng z—C和Khonsar M N在其2004年工作基礎(chǔ)上考慮溫度場(chǎng)對(duì)軸承動(dòng)力學(xué)特性的影響，近似地處理Reynolds方程</p><p><b>　　3總結(jié)部分</b></p><p>　?。北疚乃岢龅挠?jì)算方法只要求編制簡(jiǎn)短的迭代程序,可以使研究人員擺脫復(fù)雜而費(fèi)時(shí)的程序設(shè)計(jì)工作,把主要精力集中在所求解問(wèn)題的模型建立(例如確定

22、求解區(qū)域、邊界條件及偏微分方程系數(shù)) 上,而不必在問(wèn)題的求解過(guò)程及計(jì)算結(jié)果的顯示上花費(fèi)大量的時(shí)間,這些工作都可以交給MATLAB 及其PDE 工具箱去成。</p><p>　　２ 在計(jì)算過(guò)程中,適當(dāng)取定求解區(qū)域上的網(wǎng)格尺寸和收斂標(biāo)準(zhǔn),可以達(dá)到需要的計(jì)算精度。</p><p>　?。?在工程領(lǐng)域中,很多問(wèn)題都可以用偏微分方程進(jìn)行描述,例如熱傳導(dǎo)、流體動(dòng)力學(xué)、電磁學(xué)、結(jié)構(gòu)力學(xué)等。本文所提出的計(jì)

23、算方法的思想不僅可以應(yīng)用于其他類型軸承的性能計(jì)算中,也可以推廣應(yīng)用于其他類型偏微分方程問(wèn)題的求解中。</p><p>　?。幢M管MATLAB 的PDE 工具箱只提供了針對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏微分方程的求解功能, 但本文的方法體現(xiàn)了MATLAB PDE 工具箱的柔性,并使其解決科學(xué)和工程問(wèn)題的能力得到了加強(qiáng)。</p><p>　　波箔型動(dòng)壓氣體軸承技術(shù)是多學(xué)科交叉的綜合研究課題，它涉及到氣體動(dòng)力學(xué)、材料學(xué)

24、、傳熱學(xué)、制造工藝學(xué)、摩擦學(xué)等。該種軸承對(duì)我國(guó)宇航、精密加工及低溫工程等領(lǐng)域的發(fā)展具有重要地位，體現(xiàn)出巨大的發(fā)展?jié)摿徒?jīng)濟(jì)意義。提高波箔型氣體軸承的承載能力和高速穩(wěn)定性，開(kāi)發(fā)出一種能滿足要求的新型波箔結(jié)構(gòu)氣體軸承，仍將是人們一直關(guān)注的熱點(diǎn)。</p><p><b>　　4參考文獻(xiàn)</b></p><p>　　溫詩(shī)鑄,黃平. 摩擦學(xué)原理[M]．北京：清華大學(xué)出

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