彈性薄片動壓氣體軸承的理論和試驗研究.pdf

1、薄片軸承是一種采用彈性元件作為支承的自作用式動壓氣體軸承，與傳統(tǒng)的剛性和滾珠軸承相比，具有轉(zhuǎn)速高、無污染、摩擦功耗低、壽命長、工作溫度范圍寬、穩(wěn)定性好和自適應性強等諸多優(yōu)點，在低溫制冷、航空航天以及國防等領(lǐng)域具有重要的應用價值和廣泛的發(fā)展前景。本文針對傳統(tǒng)的線接觸計算模型不能很好地預測懸臂型徑向薄片軸承承載能力的問題，建立了一套基于面接觸假設的力學計算模型，分析了面接觸對軸承承載機理的作用規(guī)律，并設計和搭建試驗臺進行了試驗研究。同時，對

2、波箔型止推薄片軸承進行了理論和試驗研究，揭示了影響軸承性能的關(guān)鍵影響因素。
　　根據(jù)徑向薄片軸承結(jié)構(gòu)特點，將搭接薄片簡化為懸臂彎曲梁，推導了薄片的幾何搭接關(guān)系和單個薄片的變形計算公式；建立了完整的搭接薄片面接觸計算模型，給出了面接觸下薄片變形滿足的約束條件，推導了氣膜作用力和薄片間作用力間的關(guān)系式，構(gòu)建了薄片支承結(jié)構(gòu)的整體剛度矩陣，給出了整個薄片支承結(jié)構(gòu)的變形計算式；采用加權(quán)余量法和有限元法建立求解氣膜壓力分布的計算模型，搭建了基

3、于面接觸模型的求解軸承靜態(tài)特性的氣彈耦合計算流程和框架；采用小擾動法，推導了薄片變形與氣膜厚度及壓力分布關(guān)系式，結(jié)合有限差分法對Reynolds方程進行離散化處理，得到了方程求解的差分格式以及軸承動態(tài)剛度和阻尼系數(shù)的計算公式。
　　利用上述建立的面接觸模型，編程計算了軸承的靜動態(tài)特性，通過將仿真結(jié)果與已發(fā)表文獻中試驗結(jié)果進行比較，驗證了面接觸模型以及數(shù)值計算方法的正確性，并分析研究了薄片厚度、展角、安裝角、長徑比和單邊間隙等結(jié)構(gòu)參

4、數(shù)以及轉(zhuǎn)速和偏心率等對軸承性能的影響規(guī)律，揭示了面接觸對軸承承載性能的作用機理，指出了搭接薄片間面接觸的發(fā)生有利于提高軸承承載性能。
　　根據(jù)波箔型止推薄片軸承結(jié)構(gòu)特點，基于彈性薄板模型和Heshmat模型，分別建立了頂層薄片和支承波箔的剛度矩陣，將兩者融合到一起得到了止推軸承薄片支承結(jié)構(gòu)的整體剛度矩陣；綜合考慮支承結(jié)構(gòu)參數(shù)、斜坡形狀、波箔一致性誤差以及薄片變形，建立了軸承氣膜厚度方程，采用與徑向軸承相同的方法對圓柱坐標系下的Re

5、ynolds方程進行簡化和離散化處理，搭建了軸承氣彈耦合計算流程和框架，得到了靜動態(tài)特性的計算公式。
　　利用建立的止推薄片軸承的理論計算方法，編程計算了軸承的靜動態(tài)特性，分析研究了支承結(jié)構(gòu)參數(shù)、斜坡形狀、波箔一致性誤差以及運行參數(shù)對軸承靜動特性的影響規(guī)律，并以承載力為目標函數(shù)對軸承的支承結(jié)構(gòu)參數(shù)進行了初步的優(yōu)化處理。
　　在理論分析和仿真計算的基礎(chǔ)上，設計徑向薄片軸承和止推薄片軸承的試驗方案，完成了徑向和止推軸承試驗臺結(jié)構(gòu)

6、設計、徑向和止推軸承試驗件的設計加工以及測試系統(tǒng)的設計，進行了軸承靜態(tài)加卸載試驗以及高速運行試驗，分析研究了軸承結(jié)構(gòu)及運行參數(shù)對軸承承載力及摩擦力矩的影響規(guī)律，為后續(xù)進一步優(yōu)化軸承參數(shù)以及改善軸承性能提供參考和借鑒。
　　論文建立的面接觸計算模型以及開發(fā)的數(shù)值求解算法和流程，能夠更好地預測軸承承載性能，完善了懸臂型徑向薄片軸承的理論分析體系，有利于促進該型軸承的進一步發(fā)展和應用；對波箔型止推薄片軸承中關(guān)鍵因素對軸承靜動特性的影響規(guī)