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1、 工学硕士学位论文 小孔节流静压气浮轴承 转子系统 动力学特性研究 章正传 哈尔滨工业大学 2006 年 6 月 图书分类号 TH133 36 U D C 621 1 工学硕士学位论文 小孔节流静压气浮轴承 转子系统 动力学特性研究 硕 士 研究生 章正传 导师 刘占生教授 申请学位级别 工学硕士 学 科 专 业 动力机械及工程 所 在 单 位 能源科学与工程学院 答 辩 日 期 2006 年 6 月 授予学位单位 哈尔滨工业大学 Classified Index TH133 36 U D C 621 1 A Dissertation for the Degree of M Eng ANALY
2、SIS OF DYNAMIC CHARACTERISTICS OF AEROSTATIC BEARING WITH ORIFICE RESTRICTORS AND CORRESPONDING ROTOR BEARING SYSTEM Candidate Zhang zhengchuan Supervisor Prof Liu zhansheng Academic Degree Applied for Master of Engineering Specialty Power Machinery bearing rotor system Finite Difference Method dyna
3、mic characteristics unbalance response III 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 目录目录 摘要 Abstract 第 1 章 绪论 1 1 1 课题研究背景和意义 1 1 2 静压气浮轴承工作原理 2 1 3 国内外发展概况及应用 3 1 3 1 国外发展概况 3 1 3 2 国内发展概况 5 1 3 3 静压气浮轴承润滑的计算方法概述 7 1 3 4 气浮轴承 转子系统研究概况 8 1 3 5 静压气浮轴承应用概述 10 1 4 本文主要研究内容 11 第 2 章 小孔节流静压气浮轴承静态特性研究 13 2 1 引言 13 2 2 等温静态Reynold
4、s方程 13 2 2 1 考虑节流孔的Reynolds方程 13 2 2 2 无量纲化形式 14 2 3 Reynolds方程及边界条件 16 2 3 1 构造Newton迭代格式 16 2 3 2 微分方程离散化 18 2 3 3 边界条件及其处理方式 20 2 4 计算结果及讨论 23 2 4 1 计算模型参数 23 2 4 2 纯静压轴承气膜压力计算结果 23 2 4 3 纯动压轴承气膜压力计算结果 32 2 4 4 混合气体轴承气膜压力及承载力计算结果 34 2 4 5 计算结果与文献的对比 35 2 4 6 本章小结 36 第 3 章 小孔节流静压气浮轴承动力学特性参数的确定 37
5、3 1 引言 37 IV 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 3 2 小孔节流静压气浮轴承 转子系统的动力学特性参数 37 3 2 1 小孔节流静压气浮轴承刚度求解 37 3 2 2 静压气浮轴承阻尼力计算 41 3 3 本章小结 44 第 4 章 小孔节流静压气浮轴承 转子系统动力学特性研究 45 4 1 引言 45 4 2 小孔节流静压气浮轴承 转子系统的动力学特性分析 45 4 2 1 系统动力学建模分析方法概述 46 4 2 2 有限元法及转子动力学基础 46 4 2 3 小孔节流静压气浮轴承 转子系统动力学模型 47 4 3 小孔节流静压气浮轴承 转子系统临界转速计算 51 4 4 小孔
6、节流静压气浮轴承 转子系统不平衡响应分析 52 4 4 1 质量阵与刚度阵的形成 52 4 4 2 Newmark逐步积分法计算不平衡响应 53 4 5 提高小孔节流静压气浮轴承 转子系统稳定性的措施 56 4 5 1 O 型橡胶圈密封 56 4 5 2 改变进气方向 56 4 5 3 使用阻尼室控制静压气浮轴承的稳定性 58 4 6 本章小结 59 第 5 章 小孔节流静压气浮轴承 转子系统动力学特性试验研究 60 5 1 引言 60 5 2 试验台简介 60 5 3 不平衡响应的振动测试 61 5 3 1 试验设备及原理 61 5 3 2 试验现象 62 5 3 3 试验结果分析 62 5
7、 4 试验结论及与数值计算结果的比较 65 5 4 1 小孔节流静压气浮轴 承转子系统的临界转速 65 5 4 2 小孔节流静压气浮轴承 转子系统的不平衡响应 65 5 4 3 误差分析 65 5 5 本章小结 66 结论 67 参考文献 68 V 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 附录 72 攻读学位期间发表的学术论文 75 哈尔滨工业大学硕士学位论文原创性声明 76 哈尔滨工业大学硕士学位论文使用授权书 77 哈尔滨工业大学硕士学位涉密论文管理 78 致谢 79 VI 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 第1章 绪论 1 1 课题研究背景和意义课题研究背景和意义 气体润滑技术是20世纪中期迅速发
8、展起来的一项高新技术 它具有很多优 良特性 如摩擦极小 无污染 不发热 运转平稳 能在极高温 极低温 极 高速和强辐射等场合很好地运转等 由于小孔节流静压气浮轴承在高转速下的 较高的承载能力和易于加工因而受到人们的普遍关注 1 气体轴承是一种以气体作为润滑剂的滑动轴承 也称为静压气浮轴承 它 是随着原子能 航天技术 微电子学 信息技术及生物工程等新兴科学技术的 发展而发展起来的一门新技术 与传统的滚动轴承或油膜润滑轴承相比 气体 静压轴承具有以下几方面的优点 1 几乎无摩擦 不生热 磨损小 寿命长 由于气体的粘度仅为润滑油 的千分之一的数量级 因此其摩擦损耗极低 这极大的改善了高速机械的工作
9、性能 2 运转平滑 精度高 轴承间隙小 能保证较高的回转精度 可用于精 密仪器 机械 计算机磁头等应用领域 3 耐高 低温性能好 抗辐射能力强 因为温度对气体润滑剂的性能影响远远小于润滑油的影响 轴承可以在很 宽的温度范围内正常工作 辐射对气体润滑性能亦无影响 因此它可以工作在 极端工况下 利用这一点 可将其用于低温 制冷领域或核工业的透平膨胀机 及深冷回转机械 或者高温领域的燃气透平机械 4 清洁度高 不污染环境 不污染工作环境和机械部件 由于静压气体轴承直接利用空气或机内工作 介质作为润滑剂 不具有任何污染源 这在电子 航天 医药 医疗器械 食 品等工业领域是最合适的轴承元件 由于以上优秀
10、的表现 气浮轴承可应用于许多领域 起到了无可替代的作 用 越来越受到人们的重视 但是气体轴承有两个主要缺点 1 承载能力低 刚度小 此问题通常可以通过增大承载面积和优化轴承设计参数来解决 1 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 2 气体的可压缩性容易引起不稳定性 由于设计 计算 加工等原因 静 压气体轴承转子系统在外界激励作用下容易失稳 当轴颈转速接近系统的固有 频率时会发生共振 易使轴颈与轴承接触 从而影响设备的安全可靠的运行 甚至会出现严重的抱轴事故 2 3 设法抑制不稳定性 始终是气体润滑设计必须 重视的课题 由于上述这些缺点 静压气浮轴承在实际应用中受到很大的局限 本课题 在分析静压气浮轴
11、承静特性的基础上 求解静压气浮轴承 转子系统的动力学特 性 分析影响静压气浮轴承 转子系统动力学特性的因素 具有现实的工程意 义 1 2 静压气浮轴承工作原理静压气浮轴承工作原理 静压气体轴承是利用气体作为运动副润滑剂的一种新型轴承 4 5 其工作原 理比较简单 小孔节流静压气浮轴承工作原理是将具有一定压力的气体经过小 孔节流后流入轴承间隙然后连续地从轴承两端边缘排入大气 气体由外部气源 设备供给 经过小孔进入圆滑间隙 形成气膜力 以支撑负载 相比动压气体 轴承 它具有较大的承载能力和刚度 在高速 低速 以至零速时均能正常工 作 工作时 由于润滑间隙自始至终充满着压力气体 在支承件的起动或停止
12、 工作时无固体接触 因此无固体磨损 气体静压润滑的适应性强 应用广泛 其突出缺点是要配备一套较为复杂的气源设备 气体静压轴承按其节流机制的 不同可分为多供气孔轴承 狭缝式节流轴承 多孔质和表面节流轴承等 其中 多供气孔轴承是气体静压轴承使用最广泛的一种结构形式 下面我们主要介绍 最典型的双排多供气孔轴承的工作原理 如图1 1所示 轴承上有两排绕轴承圆周等距排列的进气孔 压缩空气经节 流器进入轴和轴承套之间的间隙 然后沿轴向流至轴承两端部排入大气 气体 从节流孔流入气膜后会产生一定压力降 在轴与轴套同心时 它们间的气膜厚 度处处相等 气体自每一节流孔以相似的方式向轴承中间和两端流动 最后流 入大
13、气 由于结构对称 流动也完全对称 此时压力的合力为零 即轴或轴套 没有支承外载荷的能力 但当轴在轴套内沿铅垂线产生一偏心量时 轴与轴套 间的间隙就要发生变化 这时由于气膜厚度的不同 造成的气流阻力也不一 样 气膜厚度大时阻力小 而气膜厚度小时阻力就大 因而当气体向孔后流动 时 轴承上部阻力小流动变快 使流经上部节流孔的气流压力降变大 所以上 2 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 半部孔后压力与无偏心时相比有不同程度的下降 从而引起气膜内的压力相应 下降 而下半部与之相反使气膜内的压力有不同程度的增高 气体轴承的承载 能力来源于轴承上下两半压力分布的差别 但仅有气膜的变化还是不够 节流 孔的存在是
14、另一关键所在 由于节流孔与气膜的配合 使气膜减薄处压力上 升 气膜厚度增加处压力下降 从而造成整个气膜中气体压力的重新分布 形 成承载能力 气膜产生的总浮力与负载相平衡时 气体支承才能工作在一定平 衡位置 实现气体润滑 气膜浮力越大其承载能力就越大 气体的可压缩性导 致气膜厚度随负载增大而减小 反之 当负载减小时 气膜厚度就增大 工程 上要求气膜厚度随负载的变化尽可能小 即气膜刚度要大 若气体润滑不稳 定 则支承无法工作 因此 稳定性是气体润滑的重要问题之一 总而言之 承载能力 气膜刚度 稳定性是气体润滑必须解决的基本问题 是重要的技术 指标 图 1 1 小孔节流静压气浮轴承工作原理 Fig1
15、 Model of aerostatic journal bearing with orifice restricts 1 3 国内外发展概况及应用国内外发展概况及应用 1 3 1 国外发展概况国外发展概况 气体润滑技术是20世纪中期迅速发展起来的一项高新技术 6 气体轴承就是 从这项技术开发出的核心产品 气体轴承的发展历程可以分为以下几个阶段 萌芽期 发展前期 快速发展期以及目前的进一步深化时期 3 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 一 萌芽期 这一时期大约从1854年法国人希尔 G Hirn 首次提出了空气作为润滑剂的可 能性 一直到1897年 美国人金斯伯利 A Kingsbury 制成了
16、一个气体轴颈轴承 为止 这一时期对气体轴承的研究极少 主要研究成就是使气体作为一种润滑 剂由设想变成了现实 二 发展前期 从1897年到大约1950年止 这一时期气体轴承已有少量的研究 研究较少 是因为 1 应用需求不多 2 制造技术及设备的限制 3 由于气体的可 压缩性 气体轴承的解析解较液体轴承更难获得 限制了对气体轴承特性的认 识 4 计算机技术特别是计算手段的限制等 在这一时期比较重要的成果有 1 理论方面 英国人加里森 W J Harrison 在保留连续性方程中的密度项 引用等温假设的条件下导出了可压缩雷 诺 Reynolds 方程 并给出了无限长气体轴承的求解 为气体动压润滑技术奠定 了理论基础 2 在实验研究及应用上 1932年美国在陀螺仪上第一次进行了 气体轴承的试验 1939年 德国为提高导弹精度成功地将气体动压轴承应用于 惯性导航仪上 1 7 等等 三 快速发展期 这一时期大约从1950年到20世纪70年代末止 在这一时期 由于计算机的 出现和迅速发展及数字计算技术的进步 而且由于二战结束后战时保密资料逐 步公开 更出于航空航天等高技术发展的需要 气体轴承的理论和
