悬臂止推箔片轴承三维流-固-热耦合数值分析

工作温度是影响轴承性能关键因素之一，为了深入分析轴承气膜温度变化对箔片轴承承载特性的影响，本文中建立了考虑冷却气实际流动特性的悬臂止推箔片轴承三维流-固-热耦合模型，研究了轴承间隙、转速以及冷却气流速变化时悬臂箔片轴承气膜压力场和温度场等的变化规律.研究结果表明：随着轴承间隙减小以及轴承转速增大，气膜表面温度逐渐升高，其中气膜高压区温度上升更快，气膜温度与轴承间隙呈现线性变化趋势，气膜温度与转速呈现非线性增长的趋势，相比于轴承间隙，轴承转速升高对润滑气膜温度场影响更大，气膜温度过高可能会造成轴承热失效，因此需要深入研究工作温度对轴承性能的影响；随着冷却气流速增大，轴承承载力和气膜温度逐渐减小.冷却气流速增大到一定程度时，降温效果不再发生明显变化.     

用于微重力试验的气磁混合悬吊单元研制

传统被动式跟随悬吊法应用中摩擦干扰力大的问题影响了微低重力试验的精度，本文中结合悬吊法和气浮法的优点，利用气体轴承极低摩擦力的特点，设计了一款气磁混合悬吊单元原理样机，以提高被动式跟随悬吊法微低重力试验的精度.首先介绍了气磁混合悬吊单元的工作原理，对气磁模块的布局方案进行了初选，选择了环形气体止推轴承与中央磁吸力单元组合的结构形式.设计了独特的永磁-电磁模块，并对其电磁吸力特性进行了分析，分析结果显示在气隙厚度为0.65 mm左右时，磁力能够保持在2 kN左右，得到了0.3～1.0 mm气隙长度下混合磁单元的磁力及刚度变化曲线.气体止推轴承采用大块多孔石墨作为节流器，能够在较小的空间尺寸中实现最大的承载能力，应用有限元方法对多孔质气体轴承的承载能力进行了分析，并进行了网格无关性分析，确定了计算模型的规模.对供气压力和渗透率等主要参数的影响规律进行了分析，分析结果显示选定的工作参数可在20μm气膜厚度下实现2 kN的承载.完成了气磁混合悬吊单元的结构设计，并试制了3台样机.针对气浮轴承进行了多孔材料渗透率测试.针对气磁混合悬吊单元，考虑到测试的安全性，设计了倒扣拉力法试验装置进行了气磁混...     

叠片式气体箔片推力轴承热特性分析

叠片式气体箔片推力轴承具有制造工艺简单、散热能力强等优点，针对该新型轴承提出了相应的热特性分析模型，通过数值仿真分析得到轴承气膜及各元件的温度，并对关键影响参数进行了重点分析. 研究结果表明:由于气膜在半径较大位置处的线速度大，其剪切产热效果明显，温度越高，气膜的高温区分布在靠近周向末端和顶箔侧；气膜、顶箔和推力盘温度均会随推力盘转速和轴承载荷的增大而升高；向箔片结构中通入冷却气流可以获得良好的降温效果，轴承温度随着箔片内通入冷却气流量的增大，先迅速下降后趋于平缓.      

箔片轴承摩擦表面涂层的新方法

本文论述了一种将氟化石墨-聚酰亚胺粘结固体润滑涂层涂覆在用于高速气体箔片轴承中的箔片零件摩擦接触表面上的新方法。 目前,工艺流体轴承或气体轴承的应用日益广泛。这些流体轴承一般都由有预定间隔的两个相对运动的零件组成。在此间隔中充满空气之类的流体,其在动态条件下形成一种支持用的流体“楔块”,可以防止两个相对运动零件之间的接触。     

推力电磁轴承的电磁场分析

利用有限元法对推力电磁轴承的磁场分布进行了分析计算,并通过对某一实际电磁轴承的推力轴承磁场分布及漏磁的分析计算,得出了推力轴承和推力盘之间的气隙及推力轴承和转子之间的气隙之比的最佳设计值,所得结果可作为推力电磁轴承实际设计的准则     

二阶滑移边界对微型气浮轴承稳态性能的影响

考虑微型气浮轴承的尺寸特征，内部气流不再满足连续流的假设，根据Knudsen数可确定内 部气流为滑移流. 分别利用一阶速度滑移模型和二阶速度滑移模型对连续流的状态方程进行 修改，得到一阶滑移流和二阶滑移流机制下修正的雷诺方程. 利用有限差分法对连续流、一 阶滑移流和二阶滑移流的雷诺方程分别求解，得出相应的承载力和偏位角. 经过对比分析， 发现采用滑移流模型得到的轴承的稳态力学性能与连续流机制的结果存在较大差异，一阶滑 移流与二阶滑移流间的差异随偏心率增加而增加. 说明在MEMS环境下必须考虑滑移流效应 对微型气浮轴承稳态力学性能的影响. 在大偏心率工作状态下，二阶滑移流模型能够得到最 好的结果.     

基于可观测状态的轴承-转子系统周期解计算及稳定性分析

分析了轴承-转子系统的稳定性和分岔,基于系统可观测状态信息给出1种求解系统周期解及识别周期解稳定性的方法,同时将该方法与Floquet理论相结合分析系统周期解的稳定性及失稳分岔形式,将转速作为分岔参数分析系统响应的周期、拟周期、多解共存和跳跃现象.结果表明,采用该方法计算系统周期解及稳定性时,利用系统可观测稳态和瞬态信息,即可求解出系统Jacobian矩阵而无需实时求解轴承非线性油膜力的Jacobian矩阵.与传统PNF方法相比,该方法不仅具有很高的精度而且可以节约计算量,同时可以预测追踪随控制参数变化的系统周期解及其稳定性,可用于指导轴承-转子系统的非线性动力学设计.     

电磁轴承—转子系统的动态特性

本文提供了一个闭环控制电磁轴承-转子试验系统,在电磁力的控制作用下,重量为4公斤、直径为50毫米的转子完全悬浮于二个径向电磁轴承之中,转速可达3000转/分。本文还建立了此闭环控制系统的数学模型,通过数字仿真分析了其动态特性,探讨了控制器参数对转子运动的控制效果以及与电磁轴承动刚度之间的变化关系。     

超导磁力与静压液膜力复合轴承的静动特性分析

以新一代液体火箭发动机涡轮泵为应用前景,提出了一种带小孔节流的超导-液体静压复合推力轴承.该复合轴承由6块圆形超导瓦和6块带有小孔节流的圆形液体静压推力瓦构成,依靠涡轮泵系统自带的低温介质(如液氢液氧等),可以实现超导磁斥力与流体静压力的复合.基于解耦方法分析了复合轴承的静动特性,重点研究不同液膜厚度下复合轴承的承载力和刚度随节流孔径、液腔直径等的变化规律.在设计工作点附近,超导推力瓦和静压推力瓦的承载力大体相当,而后者的刚度则是前者的300倍以上.理论结果表明该复合结构既可以保证启动阶段无接触摩擦,又能在工作阶段保持较高刚度以抗冲击,对设计高可靠性火箭涡轮泵的轴系结构具有参考价值.     

轴向磁悬浮轴承的力学特性分析

介绍了五自由度电磁轴承系统中轴向磁悬浮轴承的各种可能受力情况,及其位移传感器的安装位置在分析上述情况时的作用;同时讨论了轴向磁悬浮轴承对径向轴承的影响,分析了一般情况下径向位移传感器的安装位置对轴向和径向轴承间静态和动态力耦合以及系统稳定性的影响。分析结果表明位移传感器的安装位置对电磁轴承系统的稳定性分析有着重要的影响,也是分析设计此类轴承必须考虑的因素之一。     

推力轴承对轴承－转子系统的耦合作用研究

研究了推力轴承对轴承－转子系统的耦合作用。在传递矩阵法的基础上，提出一种研究考虑推力轴承影响的轴承－转子系统的动力学的通用方法。研究中考虑了如下几个因素：（１）推力盘的静态倾斜；（２）转子的静变形；（３）径向轴承中负荷的重新分配；（４）偏载对径向轴承性能的影响；（５）推力轴承对系统稳定性的影响。研究结果表明，在某些情况下，推力轴承对径向轴承的动特性、转子的静挠度、系统稳定性等具有显著的影响     

永磁向心轴承承载能力与刚度的计算

目前，尽管磁浮轴承技术的研究与开发应用已经受到国内外学者的广泛重视，但在永磁向心轴承承载能力的研究方面，却还存在着两个尚待解决的问题：一是将环形磁体作为无限长条形磁体处理，二是只能对轴承承载能力进行估算。针对这种情况，根据等效磁荷理论，在圆环状态下对轴向控制的永磁向心轴承的承载能力和刚度进行了研究，建立了永磁向心轴承承载能力数学模型，并对其计算结果作了试验验证，同时还提出了利用刚度系数建立的可供工程设计应用的永磁轴承承载能力和刚度的计算公式。结果表明，承载能力的计算值与实测值相当吻合；在偏心距的实际应用范围内，永磁向心轴承的径向刚度是个常量；内外磁环的轴向位移对磁轴承的承载能力和刚度都有明显的影响．因此，为了最大限度地提高这种轴承的承载能力和刚度，就要在设计其结构的过程中注意尽力保证内外磁环轴向对齐。     

弹性箔片动压径向气体轴承动特性的实验研究

建立了新型弹性箔片动压气体轴承性能测试实验台，在静载60N、转速9000r／min条件下进行轴承性能测试试验，通过中心插值法获得轴承中心的扰动速度和加速度，采用时域最小二乘法计算不同激振频率下的8个轴承动态线性刚度和阻尼系数，考察了激振频率对轴承动特性系数的影响．结果表明：轴颈中心扰动轨迹为椭圆形且振幅随动态激振频率增加而增大；刚度和阻尼系数的直接项随动态激振频率增加而减小；交叉刚度和阻尼相对激振频率的变化较小，且其值小于直接项；当激振频率与轴颈转动频率相同时，工频成分的影响较大，轴心扰动幅值明显增大，刚度和阻尼的直接项小于其它频率时的值．     

Adaptive control of nonlinear zero-bias current magnetic bearing system

The electromagnetic force generated by a magnetic bearing is highly nonlinear and parametric uncertainties in calculation of magnetic force makes the control of magnetic bearings complicated. Zero-bias current magnetic bearings have the potential to reduce power losses because only one electromagnet of the pair is operational at any given time. In this study, an adaptive control is proposed to compute nonlinear control currents of zero-bias magnetic bearing by accepting that the rotor and bearing parameters are unknown. The nonlinear observers are used to provide the estimate of the unmeasured state with an exponentially convergent error decay since the full state of the control system is not available for the feedback. The proposed approach is verified by simulation and experiment.     

极端工况双矩形腔静压推力轴承动态特性

静压推力轴承动态特性受润滑油黏度、油膜厚度和油腔面积等因素影响, 极端工况运行过程中经常承受阶跃载荷或正弦载荷作用, 突加载荷将导致静压推力轴承动态特性改变, 表现为轴承的抗冲击能力和恢复平衡所需时间的变化. 为获得高速重载微间隙极端工况条件下双矩形腔静压推力轴承动态特性, 分别在不同油膜厚度、不同润滑油黏度以及不同油腔尺寸条件下对双矩形腔静压推力轴承的动态性能进行理论分析, 探讨了阶跃载荷作用下润滑油黏度、油膜厚度和油腔面积对轴承动态性能的影响, 揭示了油膜动态变化规律, 探究了正弦载荷作用下双矩形腔静压推力轴承的稳定性. 结果表明: 润滑油黏度、油膜厚度和油腔尺寸变化对其动态性能有很大的影响. 润滑油黏度越大、油膜厚度越小、油腔面积越大突加载荷作用下润滑油膜抵抗冲击的能力越强, 旋转工作台受到突加外力作用下恢复至平衡状态所用时间越短. 双矩形腔静压推力轴承油膜具有较大的阻尼系数, 轴承具有极强的抵抗正弦加载作用的能力      

Fully suspended, five-axis, three-magnetic-bearing dynamic spin rig with forced excitation

A significant advancement in the dynamic spin rig (DSR), i.e., the five-axis, three-magnetic-bearing DSR, is used to perform vibration tests of turbomachinery blades and components under rotating and non-rotating conditions in a vacuum. The rig has three magnetic bearings as its critical components: two heteropolar radial active magnetic bearings and a magnetic thrust bearing. The bearing configuration allows full vertical rotor magnetic suspension along with a feedforward control feature, which enables the excitation of various modes of vibration in the bladed disk test articles. The theoretical, mechanical, electrical, and electronic aspects of the rig are discussed. Also presented are the forced-excitation results of a fully levitated, rotating and non-rotating, unbladed rotor and a fully levitated, rotating and non-rotating, bladed rotor in which a pair of blades were arranged 180° apart from each other. These tests include the “bounce” mode excitation of the rotor in which the rotor was excited at the blade natural frequency of 144 Hz. The rotor natural mode frequency of 355 Hz was discerned from the plot of acceleration versus frequency. For non-rotating blades, a blade-tip excitation amplitude of approximately 100 g A⁻¹ was achieved at the first-bending critical (≈144 Hz) and at the first-torsional and second-bending blade modes. A blade-tip displacement of 1.778×10⁻³m (70 mils) was achieved at the first-bending critical by exciting the blades at a forced-excitation phase angle of 90° relative to the vertical plane containing the blades while simultaneously rotating the shaft at 3000 rpm.     

计及机体变形的内燃机主轴承弹性流体动力润滑分析

针对某四行程四缸内燃机曲轴主轴承,考虑机体变形因素的影响,进行了曲轴轴承弹性流体动力润滑分析.计算中采用动力学法进行曲轴轴承的润滑分析,采用变形矩阵法计算油膜压力作用下轴承表面的变形.结果表明,与不考虑机体变形影响相比,计入机体变形影响时轴承轴心轨迹基本没有改变,在1个工作循环中的大部分时间轴承最大油膜压力、最小油膜厚度、端泄流量和轴颈摩擦系数几乎没有变化,仅在某些时刻附近轴承最大油膜压力略有减少,轴承最小油膜厚度略有增加.因此在计算精度要求不是非常高的情况下,曲轴主轴承润滑分析可以不考虑轴承表面因油膜压力作用产生的弹性变形的影响.     

高速列车轴承可靠性评估关键力学参量研究进展

轴承是高速列车牵引传动和轮轴系统的关键零部件. 受列车运行过程中电机转矩、齿轮啮合以及轮轨随机激励的影响,轴承可能发生疲劳破坏, 严重影响高速列车的行车安全.我国特有的复杂运用条件对轴承部件的疲劳性能提出了更高的要求,而轴承疲劳可靠性的基础理论和关键技术是我国轴承正向设计研发中的薄弱环节.可靠性评估方面的相关研究在解决轴承可靠性研究的瓶颈问题中起到了承上启下的关键作用.高速列车轴承可靠性评估手段与技术旨在获得使用环境中轴承可靠性评估的关键力学参量,并以此推动复杂激励下轴承疲劳可靠性理论研究. 因此,需要哪些关键力学参量并且在复杂的实际使用环境下如何去获取这些力学参量是进行高速列车轴承可靠性评估的关键所在.本文首先概述了高速列车轴承所处的复杂使用环境及运用中的主要失效模式,并据此分析了高速列车轴承可靠性评估所需的关键力学参量,强调了轴承内部滚滑行为和载荷分布在可靠性评估和轴承状态监测中的重要作用,之后从计算模型和测试技术等方面系统阐述了针对这两个关键力学参量的研究进展.最后提出了在高速列车轴承可靠性评估关键力学参量特征及测试技术研究中值得关注的若干问题.      

Dynamics of a balanced rotor under the action of an elastic force with a hysteresis characteristic

Recently, the constructions of rotors rotating on passive-type magnetic bearings designed with the use of high-temperature superconductors have been developed [1, 2]. One still open problem in the stability analysis of rotors on such bearings is the problem on the influence of the bearing rigidity characteristic on the system dynamics. The stability of a steady-state motion of a rotor with arbitrary eccentricity is studied in [3]. The present paper deals with the dynamics of a steady-state motion of a balanced rotor rotated by an infinite-power motor; in this case, the elastic force acting on the rotor has a hysteresis characteristic [4]. The equations of motion are described by a nonautonomous system of differential equations which is reduced with prescribed accuracy to an autonomous system, and the latter is then analyzed [5].