挤压油膜阻尼在储能飞轮转子支承系统中应用研究

在飞轮储能系统实验研究中,利用永磁轴承-螺旋槽流体动压锥轴承的混合支承,并采用了挤压油膜阻尼为转子支承系统提供阻尼。基于流体润滑理论的雷诺方程和长轴承近似理论,推导出一端封闭、一端开口边界的挤压油膜的压力分布近似解析解,得到等效油膜刚度和阻尼系数。最后对比分析了飞轮转子支承系统不平衡响应的计算与试验结果。     

螺旋槽液体润滑轴承膜压力的算子分裂法计算

采用算子分裂法（Ｏｐｅｒａｔｏｒ－ｓｐｌｉｔｔｉｎｇ ｍｅｔｈｏｄ）求解满足ＪＦＯ空泡压力边界条件和全油膜质量连续性的广义雷诺方程。润滑油膜流动由剪切流动和压力差流动两部分组成。先采用算子分裂法的迎风差分法求解剪切流动分量;再采用质量集中的有限元法求解压力差流动。结果表明：由算了分裂法得到的一维滑块轴承数值解与基于Ｅｌｏｒｄ算法的结果一致。同时还计算了人字型螺旋槽液体润滑轴承的压力分布、承载力和偏     

随动耦合变阶梯径向滑动轴承动力特征及稳定性的研究

用有限差分法循环迭代求解了随动耦合变阶梯结构径向滑动轴承油膜压力的雷诺方程和两阶段油膜耦合变阶梯结构的流量控制方程。在分析轴承油膜压力形成机量及静力特性的基础上,采用对位移和速度的小扰动法计算了轴承的动力特性系数,考察了运转参数对这种轴承承载特性、动力特性系数、等效刚度、界限涡动比以界限失稳转速的影响,结果发现合理地选择设计参数可以使这种轴承具有较好的静力特性、动力特性和稳定性。     

变阶梯结构自适应径向滑动轴承的研究

分析了变阶梯结构自适应径向滑动轴承膜压力的形成机理,并建立了二段油膜形耦合变形阶梯结构的流量控制方程,采用有限差分法交叉循环迭代求解了油压力的雷诺方程和变阶梯结构的流量控制方程,比较了设计参数对这咎径向滑动轴承的最小油膜厚度、压力分布、承载能力、摩擦阻力等性能和温升的影响,研究结果表明;合理地选择设计参数可以使得这种滑动轴承具有较好的润滑性能和承载特性。     

非牛顿流体有限长粗糙轴承分析

本文采用H.Christense力提出的随机粗糙模型,推导了幂律型流体纵向粗糙型和横向粗糙型润滑雷诺方程和相应的承载力、流量系数和摩擦系数的计算公式.对有限长动载径向轴承纵向粗糙型雷诺方程,用差分方法进行数值求解,得到了粗糙度和幂律指数对轴承的压力分布、承载力、流量系数和摩擦系数影响曲线,并有表面粗糙度和润滑油的非牛顿特性独立地影响轴承油膜力学特性的结论.     

中低速下干气密封型槽仿生改进研究

为解决干式气体端面密封在中低速或启动停车阶段密封性能不稳定的问题,在现有螺旋槽端面型槽结构的基础上借鉴仿生学设计方法提出了仿生多流通道螺旋槽干气密封端面结构.基于气体润滑理论模型,采用数值分析方法计算了气体端面气膜压力控制方程-雷诺方程,研究对比了普通螺旋槽和多流通道槽的端面压力分布.在改变操作参数和端面气膜厚度的条件下分析对比了普通螺旋槽和多流通道槽两种干气密封的开启力,泄漏率,刚度和刚漏比的变化规律,并研究了槽的通道数对密封性能的影响规律.结果表明:中低速下多流通道细长螺旋槽具有高的稳定性和好的密封性,汇流槽在增加密封稳定性的同时可降低泄漏率.     

考虑温粘热效应的多瓦轴承模型及其应用

构筑了轴向解析、周向有限元压力分布的一维变粘度场有限宽轴承模型。在绝热边界条件下,忽略泊肃叶流项对速度的影响,不考虑温度轴向变化并沿油膜厚度方向积分,三维能量方程可降阶为平均温度场只沿周向分布的一维形式,结合滑动轴承非线性油膜力的一维直接解法,能量方程与雷诺方程可分别求解,既考虑了温粘效应对滑动轴承非线性动力学性能的影响,又提供了无需迭代直接确定油膜破裂边界和求解非线性油膜力的快速新方法。作为应用,针对进油槽位于水平两侧的椭圆瓦轴承进行了动力润滑热效应分析,与工程数据比较,计算结果吻合,证明该模型合理,适用于工程上多瓦轴承的分析计算。     

柱面螺旋槽干气密封微尺度流动场稳态近似计算

针对高速、大振动等极端操作工况,提出一种新型柱面螺旋槽干气密封。基于此种干气密封结构特点,建立了考虑滑移边界条件下的微尺度效应稳态柱面雷诺方程,运用PH线性化方法、迭代法对雷诺方程进行近似求解,获得了气体压力的近似解析解,并运用MATLAB软件计算了特定工况下的气膜压力分布。分析了螺旋槽槽数、槽深、偏心率、密封宽度对气膜压力的影响。结果表明:柱面气膜压力先升高后降低,呈现类似抛物线的分布趋势,且在槽区-非槽区交界处出现压力波动;随着槽数和槽深的增加,气膜压力升高且峰值变化较大;随着偏心率的增大,气膜压力相应增大但峰值变化较小;密封宽度对气膜压力影响较小。     

有限长圆柱轴承非稳态油膜力的级数解法

本文用分离变量法求解雷诺方程，在π油膜的假设下，求得雷诺方程应满足的特征值与用傅立叶级数表达的特征函数，进而求得有限长轴的非特急油膜力解析表达式。为分析轴承转子系统的非线性动力特性提供了帮助。     

氦气－空气混合环境中微型螺旋槽止推气浮轴承的承载特性分析

针对氦气-空气混合气体环境,分析了不同氦气体积含量下混合气体的黏度和分子平均自由程,利用有限单元法求解雷诺方程二阶滑移修正模型,计算了微型螺旋槽气浮轴承的气压和气膜厚度,研究了氦气体积含量、螺旋槽深度和转速对气浮轴承承载能力的影响.分析结果表明:当螺旋槽深度由1μm增至10μm时,气浮轴承的气膜厚度先增加后减小,槽深为5μm时,气膜厚度最大,气浮轴承的承载能力最佳.此外,当槽深小于5μm时,混合气体的分子平均自由程对气膜厚度的影响较大;当槽深大于5μm时,混合气体黏度的影响起主导作用.     

有限长滑动轴承非线性油膜力的近似解法

本文中提出了一种求解有限长径向滑动轴承非线性油膜力的近似解析方法.在滑动轴承-转子系统非线性动力行为分析中,油膜力计算模型通常采用"π"油膜假设,但是,实际工况中油膜的存在区域并非是"π"区域,运行时油膜中出现气穴,破裂成条纹状(即具有Reynolds边界条件).本文中的近似解析方法采用Reynolds边界条件,基于变分原理,运用分离变量法求解油膜的压力分布,其中油膜压力的周向分离函数通过无限长轴承的油膜压力分布获得,油膜的破裂终止位置角通过连续条件确定,轴向分离函数运用变分原理并结合周向函数求得.计算结果表明:本文中提出的方法和有限元方法的结果吻合得很好.在此基础上,分析了一些轴承参数对油膜压力分布的影响.     

On the Development of Negative Pressure in Oil Film and the Characteristics of Journal Bearing

The stability and vibration characteristics of turbo-rotors running in journal bearings depend strongly on the characteristics of journal bearing determined by the oil film pressure and negative pressure developed in journal bearings. This paper is concerned with clarifying the development of this negative pressure and its influences by taking into account air bubbles in oil film, especially the surface dilatational viscosity, which decelerates the compression and expansion of air bubbles. Deceleration of the bubble expansion under negative pressure helps the bubbles to withstand greater negative pressure. When the negative pressure is developed in the oil film, the locus of center of journal running in bearing deviates from the well-known semi-circle like shape, and the journal center is pushed outwards and horizontally under vertical static load. This means that the stability of a turbo-rotor will be reduced when negative pressure is developed.     

计及轴颈倾斜的径向滑动轴承湍流润滑分析

分析了轴颈倾斜状态下，径向滑动轴承的湍流润滑性能. 基于轴颈倾斜的统一Reynolds方程和能量方程，应用有限差分法求解了不同轴颈倾斜方位角、轴颈倾斜度、偏心率和平均雷诺数下的径向滑动轴承湍流润滑性能. 结果表明:轴颈倾斜方位角α=0°时，随着轴颈倾斜度的增大，轴承油膜的压力峰向轴承一端移动，轴承一端的轴向油膜温度梯度增大；α=90°时，随着轴颈倾斜度的增大，轴承油膜压力逐渐出现双峰分布，且向轴承两端移动，轴承两端的轴向温度梯度也不断增大. 在相同轴颈倾斜度增量下，轴承最大油膜压力、最高油膜温度、承载力和稳定工作力矩的增量随轴承中央截面偏心率的增大而增大. 相同轴颈倾斜度增量下，轴承最大油膜压力增量、最高油膜温度增量、承载力增量、摩擦系数减量和稳定工作力矩增量随平均雷诺数的增大而增大. 可见，径向滑动轴承湍流润滑分析中有必要考虑轴颈倾斜因素的影响.      

轴同期涡动和轴承座激振对轴承油膜稳定性的影响

在自行设计的轴承试验台上研究了轴颈同期涡动和轴承座激振对油膜层流失稳的影响 .结果表明 :随着轴颈偏心的增大 ,涡动倾向增强 ,流体出现层流失稳 ;当涡动倾向较弱时 ,影响油膜层流失稳的主要因素是轴承激振的强度以及低频激振 ,而高频激振对其影响较小 ;但当涡动倾向较强时 ,轴承激振的强度以及激振频率对油膜层流的失稳几乎没有影响     

Spectral element analysis of herringbone‐grooved journal bearings with groove–ridge discontinuity

Many researchers have investigated the performance of herringbone‐grooved journal bearings (HGJBs). However, few have yet mentioned the issue of film thickness discontinuities in HGJBs with a finite number of grooves. Most studies have involved the application of a finite difference method for discretization. The present work utilizes the spectral element method to calculate the pressure distribution and dynamic coefficients of HGJBs, in which the thickness of the fluid film changes abruptly in the groove–ridge region. Conservation of mass is adopted to solve the problem. Additionally, the present method can be adopted for grooves with curvy geometry. The numerical results were compared with the analytical solution for a one‐dimensional slider bearing and an HGJB. It also shows that for the case of HGJB, the numerical result by the present method is more accurate than the numerical results found in the literature (Trans. ASME J. Tribol. 2000; 122 : 103–109, Int. J. Numer. Meth. Heat Fluid Flow 2002; 12 : 518–540). Furthermore, employing the present method with the Elrod algorithm can improve the accuracy of deriving loads of HGJBs when cavitation occurs. In addition, the result displays the efficiency of the present method by observing the CPU time. Therefore, the approach can be employed to compute the critical mass of a HGJB. The influence of changing groove angle, groove depth, groove width, and the eccentricity on the critical mass are discussed. Observing the variations in critical mass shows that when the eccentricity is small, a larger groove angle, a lower groove depth, and smaller groove width correspond to a higher critical mass of the HGJB. Copyright © 2010 John Wiley & Sons, Ltd.     

电流变“Smart”轴承动态特性分析

本文采用作者提出的二次规划法为基础的双线性流变有限元方法分析了电流变“Ｓｍａｒｔ”轴承的动态特性,给出了在不同偏心率下轴承油膜八项动态特性系数随电压改变的曲线。通过对轴承－转子系统的稳定性分析,发现若加大油膜电压将会提高轴承的稳定性     

Operator‐splitting method for the analysis of cavitation in liquid‐lubricated herringbone grooved journal bearings

This paper presents an operator‐splitting method (OSM) for the solution of the universal Reynolds equation. Jakobsson–Floberg–Olsson (JFO) pressure conditions are used to study cavitation in liquid‐lubricated journal bearings. The shear flow component of the oil film is first solved by a modified upwind finite difference method. The solution of the pressure gradient flow component is computed by the Galerkin finite element method. Present OSM solutions for slider bearings are in good agreement with available analytical and experimental results. OSM is then applied to herringbone grooved journal bearings. The film pressure, cavitation areas, load capacity and attitude angle are obtained with JFO pressure conditions. The calculated load capacities are in agreement with available experimental data. However, a detailed comparison of the present results with those predicted using Reynolds pressure conditions shows some differences. The numerical results showed that the load capacity and the critical mass of the journal (linear stability indicator) are higher and the attitude angle is lower than those predicted by Reynolds pressure conditions for cases of high eccentricities. Copyright © 2004 John Wiley & Sons, Ltd.     

液膜润滑机械端面密封流体动压沟槽侧壁效应研究

针对非接触机械密封端面开槽后所出现的膜厚不连续处存在的侧壁效应,在沟槽边界处将广义伯努利方程引入传统润滑方程,建立了考虑动压沟槽侧壁效应的液膜润滑螺旋槽端面机械密封数值分析模型. 采用有限单元法结合拉格朗日乘子法求解润滑方程,研究了不同螺旋槽几何参数和工况条件下沟槽侧壁效应对密封性能的影响. 结果表明:数值模型可方便捕捉沟槽边界处的压力跃变,侧壁效应在不同螺旋槽深度下表现出截然不同的影响规律,高转速、大螺旋角和小密封间隙下动压沟槽的侧壁效应较为显著. 理论模型和计算方法可为超高速工况螺旋槽机械密封的设计和局部惯性效应的研究提供指导.      

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.     

仿生多叶翼型槽干式气体端面密封的性能研究

为有效解决干式气体端面密封(简称干气密封)在低速、低压等操作条件下端面开启困难、稳定性差以及在高速、高压等高操作参数工况下泄漏率较高的瓶颈问题,提高密封的可靠性及使用寿命,在现有干气密封型槽设计方法的基础上,根据鸟类仿生学原理,提出了仿生多叶翼型槽干气密封.基于气体润滑理论,建立了仿生多叶翼型槽干气密封及其几种衍生型式的端面几何结构模型和气膜压力控制非模型,采用有限差分法进行数值模拟,分析了仿生多叶翼型槽及其衍生型槽的特殊几何结构与几何参数对干气密封性能的影响规律.结果表明:相较于单向螺旋槽干气密封和普通单向仿生双叶翼型槽,仿生多叶翼型槽及其衍生型槽干气密封在端面开启能力及运行稳定性上都有明显提升,而且仿生多叶翼型槽的衍生型式干气密封其泄漏率保持不变甚至更低.文中提出了仿生多叶翼型槽干气密封的合适衍生型式,给出了相应型槽主要几何参数的优化取值范围.该研究进一步验证了干气密封仿生型槽的设计理念,为极端工况下于气密封的端面型槽设计提供了仿生学依据,拓宽了干气密封及其他润滑部件表面设计的研究思路.