适用于永磁悬浮轨道及永磁轴承的解析磁力模型研究

基于由磁荷法和虚位移法给出的永磁体磁力数值积分公式,结合两块平行矩形截面永磁体的结构特点,推导出适用于永磁悬浮导轨及永磁轴承的解析磁力模型,并对双筒嵌套永磁轴承及轴向放置双环永磁轴承的轴向磁力计算结果进行实验验证.结果表明:两块平行矩形截面永磁体的磁力分别与永磁体剩磁的平方和永磁体纵向平均长度成正比,磁力随永磁体的截面增加而增大,随永磁体的间距增加而减小;模型计算值与实测值吻合.该模型计算简单,通过代数运算可以得到具有较高精度的磁力计算结果.     

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。     

内圈离心位移对高速角接触球轴承刚度的影响

以弹性力学理论、滚动轴承动力学和沟道控制理论为基础,计算了角接触球轴承内圈在离心力作用下的径向位移,给出了计及内圈离心位移影响时,高速角接触球轴承滚动体与内、外圈的接触刚度与轴承整体的径向刚度、轴向刚度、角刚度的计算方法和相应程序。对7012/CD轴承的计算结果表明,轴承内圈外径的离心位移随转速增加而增大,在高速条件下其值较大,不容忽视;轴承内圈离心位移对内圈接触刚度和轴承径向刚度影响较大,导致内圈接触刚度和轴承径向刚度相对增大;对外圈的接触刚度、轴承轴向刚度和角刚度的影响很小;随着转速的增加与内圈离心位移的增大,对轴承内圈接触刚度与轴承径向刚度的影响会更加明显。因此,为使高速角接触球轴承的刚度分析更加精确、更加接近实际,必须考虑内圈离心位移的影响。     

流体动压轴承主轴系统的动态特性实验研究

选用螺旋槽轴承代替球轴承 ,建立了螺旋槽轴承主轴系统模拟试验台 ,研究了螺旋槽轴承主轴系统的动态特性 ,并考察了载荷、速度、轴承间隙以及润滑剂等对其动态特性的影响 .结果表明 :随着转速提高 ,螺旋槽轴承主轴系统的径向和轴向不可重复误差 ( N RRO)均减小 ;载荷对主轴的径向动态特性影响很小 ,但对其轴向动态特性影响较大 ,随着载荷增大 ,轴向 N RRO逐渐减小 ;主轴的径向和轴向 N RRO均随轴向间隙减小而减小 ;随着润滑剂粘度增大 ,主轴径向 NRRO逐渐减小 ,而轴向 NRRO受润滑剂的影响不明显 ;润滑剂粘度越大 ,主轴所消耗的功率越大     

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.      

基于永磁环阵列的磁流体支撑及润滑特性研究

在本文中初步探讨了一种永磁环阵列的磁流体支撑及润滑特性,以期获得一种对固定目标区域精准支撑与润滑的方法,并实现低摩擦. 以3D打印树脂材料为基底,在其表面嵌入正方形点阵排布的永磁环阵列,分别在各磁体表面注入特定体积的磁流体,使其在各永磁环表面形成封闭的液体结构. 采用自行设计的支撑力测试系统及往复式摩擦磨损试验机分别对该液体结构支撑及润滑性能进行测试. 结果表明:在磁场作用下的磁流体,除自身磁化和内聚产生液体支撑力外,被磁流体密封于其液体结构内的气体将进一步提升支撑能力;而对于该磁环阵列结构而言,被吸附于其表面的磁流体支撑能力随着磁铁间距的增加而减小,并逐渐趋于稳定,同时磁极排布方式对支撑力也会有所影响;当磁流体密封结构的支撑能力大于外载荷时,即摩擦对偶完全被磁流体支撑,此时可获得0.005的低摩擦系数. 可见该磁流体液环密封结构所形成的液-气混合支撑力显著高于单一液体支撑,而磁环阵列结构可进一步提升总体支撑能力,当该支撑力高于负载时可避免摩擦副间的直接接触,在静止或低速状态下实现低摩擦. 该研究结果对于解决精密低速滑动机构中常出现的“冷焊”及“爬行”现象具有一定应用价值.      

多沟槽水润滑橡胶合金轴承润滑特性研究

建立了考虑多沟槽润滑结构和实际工况边界条件的水润滑橡胶合金轴承弹流润滑数学模型,数值计算了有无沟槽以及沟槽半径对润滑性能的影响.计算结果表明：沟槽对水润滑橡胶合金轴承润滑性能影响显著,即在沟槽处膜厚较大,压力较低,而在承载区膜厚较小,压力较高,周向方向上压力分布不连续,并且在最小膜厚处轴向方向的入口和出口附近出现了两个压力峰值;水膜压力和最小膜厚均随沟槽半径的增大而减小;承载能力随偏心率增大而增大,随沟槽半径和过渡圆弧半径的增大而减小;摩擦系数随转速增大而略有增大,随沟槽半径的增大显著增加.     

核主泵叶轮间隙的轴向振动特性研究

具有径向流的间隙结构广泛存在于轴承结构与旋转机械中,间隙中的流固耦合作用可能影响整体结构的运动稳定性。基于理论间隙模型和核主泵的实际结构,本文对径向间隙流引起的轴向振动进行了多方面的研究。当间隙的一个壁面产生轴向振动并处于旋转状态时,壁面受到由径向流引起的时变轴向力,因此间隙为叶轮提供附加的轴向刚度和阻尼。通过研究以水为介质的理论间隙模型,发现径向间隙流会引起负的等效轴向动力系数（刚度和阻尼）,并且流道形状是影响间隙轴向动力特性的重要因素。扩张流道和平行流道会产生负的轴向动力系数,特别是负阻尼会引起结构振动发散;而收缩流道间隙具有稳定的轴向动力特性。最后,对AP1000核主泵原型叶轮间隙模型进行分析,结果表明,间隙会引起轴向负刚度,并且在一定工况下出现负阻尼,此时系统轴向稳定性及结构安全运行将受到严重的不良影响。     

核主泵叶轮间隙的轴向振动特性研究

具有径向流的间隙结构广泛存在于轴承结构与旋转机械中,间隙中的流固耦合作用可能影响整体结构的运动稳定性。基于理论间隙模型和核主泵的实际结构,本文对径向间隙流引起的轴向振动进行了多方面的研究。当间隙的一个壁面产生轴向振动并处于旋转状态时,壁面受到由径向流引起的时变轴向力,因此间隙为叶轮提供附加的轴向刚度和阻尼。通过研究以水为介质的理论间隙模型,发现径向间隙流会引起负的等效轴向动力系数(刚度和阻尼),并且流道形状是影响间隙轴向动力特性的重要因素。扩张流道和平行流道会产生负的轴向动力系数,特别是负阻尼会引起结构振动发散;而收缩流道间隙具有稳定的轴向动力特性。最后,对AP1000核主泵原型叶轮间隙模型进行分析,结果表明,间隙会引起轴向负刚度,并且在一定工况下出现负阻尼,此时系统轴向稳定性及结构安全运行将受到严重的不良影响。     

PELE贯穿薄靶后外壳破片径向速度计算方法与影响因素分析

基于横向效应增强型弹丸(PELE)侵彻金属薄靶板过程分析,将弹体前端在撞击作用下的变形过程分解为轴向一维压缩和径向自由膨胀两个变形阶段;依据冲击波理论,给出了弹体前端的冲击波压缩势能,由功能转化原理,给出了PELE前端外壳在靶后形成破片的最大径向飞散速度计算公式。计算结果在多种工况下均与文献的实验结果较为一致。计算结果表明:PELE靶后外壳破片的最大径向飞散速度与外壳和内芯材料的体积模量和泊松比有关,且随二者的增大而增大;PELE外壳破片的最大径向飞散速度是壳体和内芯在冲击波压缩作用下共同径向膨胀的结果,且外壳膨胀能在弹体整体膨胀能中所占比例较大,计算中应当同时考虑弹体外壳和内芯材料的横向膨胀效应对弹体破片径向飞散速度的影响。     

Interaction forces between soft magnetic particles in uniform and non-uniform magnetic fields

The influence of the magnetization of a soft magnetic sphere on the surrounding magnetic field is measured and characterized.The interaction force between two soft magnetic particles is directly measured using an ultra precision load sensor in uniform and non-uniform magnetic fields. The interaction force largely follows an inverse fourth power law as a function of separation distance between particle centers. At small distances,the effect of magnetization of one particle on the magnetization of its adjacent particle causes the attractive（repulsive） force to be larger（smaller） than that predicted by the inverse fourth power law.The theoretical prediction based on a modified dipole model,that takes into account the coupling effect of the magnetization among soft magnetic particles,gives excellent agreement with the measured force in a uniform magnetic field.The interaction force under a non-uniform applied magnetic field can be reasonably predicted using the dipole-dipole interaction model when the local magnetic field is used to determine the magnetization.     

磁性流体密封磁场的解耦计算

分析了磁性流体密封中的磁场与力场的耦合问题,采用边界逼近的迭代方法准确计算了磁场分布,进而求出了密封压差,分析了解耦计算与线性计算的差别.结果表明,随着磁性流体磁化强度的提高,解耦计算与线性计算的差别增大.     

核磁共振陀螺多层磁屏蔽系统优化设计

核磁共振陀螺是目前世界上体积最小的导航级陀螺。由于核磁共振陀螺通过探测原子核的宏观磁化在静磁场中的进动频率来测量载体的角速度,为获得高精度与大动态范围,需要确保静磁场的稳定性,防止外部磁场的干扰,所以必须对核磁共振陀螺进行磁屏蔽。从核磁共振陀螺磁屏蔽原理出发,通过数学计算和计算机仿真,分析和研究了多层磁屏蔽罩结构参数对磁屏蔽系数的影响,并对核磁共振陀螺磁屏罩进行了优化设计。设计的多层磁屏蔽罩磁屏蔽系数达到了106,满足核磁共振陀螺的使用需求。该工作为核磁共振陀螺仪的整体设计和制造提供了一定的理论依据和参考价值。     

Statics of a magnetic fluid containing magnetic field concentrators

Various static surface shapes of a magnetic fluid containing bodies made of easily magnetizable materials (magnetic field concentrators) in a uniform applied magnetic field are numerically calculated with account for the gravity force, surface tension, and the dependence of the magnetic-fluid magnetization on the magnetic field strength. The possibility of a sudden change in surface shape is shown. Hysteresis in the surface shape with a cyclic increase and decrease in the applied field is predicted.     

Stability of plane-parallel flow of magnetic fluids under external magnetic flelds

In this work, we present a theoretical study on the stability of a twodimensional plane Poiseuille flow of magnetic fluids in the presence of externally applied magnetic flelds. The fluids are assumed to be incompressible, and their magnetization is coupled to the flow through a simple phenomenological equation. Dimensionless parameters are deflned, and the equations are perturbed around the base state. The eigenvalues of the linearized system are computed using a flnite difierence scheme and studied with respect to the dimensionless parameters of the problem. We examine the cases of both the horizontal and vertical magnetic flelds. The obtained results indicate that the flow is destabilized in the horizontally applied magnetic fleld, but stabilized in the vertically applied fleld. We characterize the stability of the flow by computing the stability diagrams in terms of the dimensionless parameters and determine the variation in the critical Reynolds number in terms of the magnetic parameters. Furthermore, we show that the superparamagnetic limit, in which the magnetization of the fluids decouples from hydrodynamics, recovers the same purely hydrodynamic critical Reynolds number, regardless of the applied fleld direction and of the values of the other dimensionless magnetic parameters.     

三浮陀螺磁悬浮干扰力矩机理分析

在三浮陀螺磁悬浮的干扰力矩研究方面,详细分析了磁悬浮干扰力矩的产生机理,对机加和装配误差、磁性材料的不理想、调试过程等可能造成的磁悬浮干扰力矩进行了定性分析和定量计算,推导出干扰力矩的表达式,并通过组合加工的方法对磁悬浮干扰力矩的力臂加以控制。目前的加工水平可以达到:径向磁悬浮干扰力矩1×10~(-8) N×m,对应的陀螺漂移8.4×10~(-2)(°)/h,随机分量4.2×10~(-6)(°)/h;轴向磁悬浮干扰力矩2×10~(-10) N×m,对应的陀螺漂移1.7×10~(-3)(°)/h,随机分量为8.4×10~(-8)(°)/h。     

低碳钢塑性变形量磁评定法研究

针对塑性变形量评定的局限问题,基于铁磁材料塑性变形致位错在不同方向分布不同的现象,研究了磁测法在定量评定低碳钢塑性变形量方面的应用前景。实验以工程中常用的低碳钢Q195钢板为测试材料,制作了形状尺寸一致的一批试件,并对其进行了不同程度的塑性变形量加载。通过搭建的磁化检测系统,采用相同强度及频率的正弦波激励,对所有样品进行了不同方向的磁化;同时经线圈及隧道磁敏电阻(TMR)采集了每次磁化的磁化曲线,提取了磁化曲线特征参数,对比了其与塑性变形量的定量关系。结果表明:随着塑性变形量的增加,铁磁钢材在同一磁场强度下产生的磁感应强度也会变大;沿主塑性变形方向磁化时,磁滞消耗能量最少,沿主塑性变形垂直方向磁化时,磁滞消耗的能量最多;磁路内磁场在主塑性变形方向上对塑变量的变化最敏感,而磁路外磁场在主塑变垂直方向上对塑变量的变化最敏感。实现了铁磁材料磁特征参数与塑性变形量的定量关联。本研究为开发简捷的铁磁材料塑性变形量无损评定磁方法奠定了基础。     

Steady magnetic waves

Steady simple waves are investigated in an incompressible conducting ideal inhomogeneously and isotropically magnetizable fluid moving along the lines of force of a magnetic field. The integration of the system of equations describing such waves is reduced to the calculation of quadrature expressions in the case of an arbitrary magnetization law. It is shown that, depending on the magnetic properties of the medium, different types of steady waves are possible: magnetizing waves in a diamagnetic fluid and demagnetizing waves in a paramagnetic fluid. The results are given of calculations of demagnetizing waves in a conducting ferromagnetic fluid. An analysis is made of the various possible flow regimes of a conducting magnetizable fluid at the point of a perfectly conducting corner.     

Analytic calculation of magnetic force between two current-carrying coils

Current-carrying coils are basic elements in electromagnetic equipments, for example, in high field magnets from high temperature superconducting wires or tapes. In the assembly of these systems and their current-carrying operation, unavoidable mis-alignment and shift from the original position can be induced by disturbances such as the imbalance of magnetic force due to safety problems. For two current-carrying coils with non-coplanar axes, the analytic expression of the magnetic force between the two coils is presented according to the rule of Ampere circulation and the Biot-Savart law. Based on the expression, the dependence of the magnetic force on the size and the relative position of each other is further investigated, and the variation of the magnetic force is obtained with the above parameters.