彈性薄片動(dòng)壓氣體軸承的理論和試驗(yàn)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(dòng)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(yīng)性強(qiáng)等諸多優(yōu)點(diǎn)，在低溫制冷、航空航天以及國防等領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用價(jià)值和廣泛的發(fā)展前景。本文針對傳統(tǒng)的線接觸計(jì)算模型不能很好地預(yù)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(shè)的力學(xué)計(jì)算模型，分析了面接觸對軸承承載機(jī)理的作用規(guī)律，并設(shè)計(jì)和搭建試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行了試驗(yàn)研究。同時(shí)，對

2、波箔型止推薄片軸承進(jìn)行了理論和試驗(yàn)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(diǎn)，將搭接薄片簡化為懸臂彎曲梁，推導(dǎo)了薄片的幾何搭接關(guān)系和單個(gè)薄片的變形計(jì)算公式；建立了完整的搭接薄片面接觸計(jì)算模型，給出了面接觸下薄片變形滿足的約束條件，推導(dǎo)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(gè)薄片支承結(jié)構(gòu)的變形計(jì)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(jì)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(jì)算流程和框架；采用小擾動(dòng)法，推導(dǎo)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(jìn)行離散化處理，得到了方程求解的差分格式以及軸承動(dòng)態(tài)剛度和阻尼系數(shù)的計(jì)算公式。
　　利用上述建立的面接觸模型，編程計(jì)算了軸承的靜動(dòng)態(tài)特性，通過將仿真結(jié)果與已發(fā)表文獻(xiàn)中試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較，驗(yàn)證了面接觸模型以及數(shù)值計(jì)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(jī)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(diǎn)，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(biāo)系下的Re

5、ynolds方程進(jìn)行簡化和離散化處理，搭建了軸承氣彈耦合計(jì)算流程和框架，得到了靜動(dòng)態(tài)特性的計(jì)算公式。
　　利用建立的止推薄片軸承的理論計(jì)算方法，編程計(jì)算了軸承的靜動(dòng)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(yùn)行參數(shù)對軸承靜動(dòng)特性的影響規(guī)律，并以承載力為目標(biāo)函數(shù)對軸承的支承結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行了初步的優(yōu)化處理。
　　在理論分析和仿真計(jì)算的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)徑向薄片軸承和止推薄片軸承的試驗(yàn)方案，完成了徑向和止推軸承試驗(yàn)臺(tái)結(jié)構(gòu)

6、設(shè)計(jì)、徑向和止推軸承試驗(yàn)件的設(shè)計(jì)加工以及測試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，進(jìn)行了軸承靜態(tài)加卸載試驗(yàn)以及高速運(yùn)行試驗(yàn)，分析研究了軸承結(jié)構(gòu)及運(yùn)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(jìn)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(jì)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(yù)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(jìn)該型軸承的進(jìn)一步發(fā)展和應(yīng)用；對波箔型止推薄片軸承中關(guān)鍵因素對軸承靜動(dòng)特性的影響規(guī)