多自由度转子-轴承系统周期运动分岔及稳定性研究

建立考虑诸多因素的转子-轴承系统多自由度模型,将与Newmark结合的打靶法应用到多自由度转子-轴承系统的周期稳定性分析中。着重研究了转子-轴承系统失稳转速随系统偏心量、轴承间隙、润滑油动力粘度以及轴承长径比的变化规律,研究结果表明:提高系统偏心量、减小轴承间隙、增大润滑油动力粘度以及选择适当的轴承长径比均能提高转子-轴承系统的失稳转速;对于不同的参数值,系统表现出不同的分岔规律,系统发生半速涡动时表现为倍周期分岔或拟周期分岔,发生油膜振荡时则表现为拟周期分岔。     

油膜支撑双盘转子-轴承系统周期运动稳定性与分岔

建立了考虑油膜支撑的双盘转子-轴承系统多自由度模型, 将与Newmark结合的延拓打靶法应用到多自由度系统的周期稳定性分析中. 主要研究双盘转子-轴承系统在转盘偏心量、偏心初始相位、轴承间隙、润滑油动力黏度以及轴承长径比5个参数域内的变化规律,得到一些有益结论: 该系统的周期运动主要以倍周期或拟周期分岔而失稳; 采用较小的转盘偏心量或增大转盘的初始偏心相位差可以提高失稳转速; 为抑制系统过早失稳, 应适当提高轴承长径比和尽可能采用较小的轴承间隙; 在选用润滑油时, 并非其动力黏度越大越好, 动力黏度较小的润滑油反而可以适当提高系统失稳转速. 研究方法和结果为相关及更为复杂的转子-轴承系统的稳定性设计及振动控制提供了理论参考.      

表面亲润性对限量供油润滑影响的研究

利用面接触润滑油膜测量系统,研究了固液界面亲和性对限量供油润滑的影响.试验中以静止的微型钢滑块和旋转的光学透明圆盘形成流体动压润滑薄膜.结果表明:在表面能较高的圆盘面上润滑油均匀铺展,润滑膜厚随供油体积的增加而增加.当盘面表面能较低时润滑油因反润湿以离散油滴的形式分布,供油体积较低时形成膜厚较高.对于试验中采用的最低供油量,表面能较低的盘面产生较高的膜厚.试验观察到的现象与润滑剂在润滑表面的分布有关.     

磁悬浮飞轮转子组件温度场分析与研究

磁悬浮飞轮作为一种航天器的姿态控制执行机构当其工作在高真空环境下时，散热条件差，系统温度过高，导致转子组件热膨胀，产生热应力或改变磁轴承及电机的间隙，则会降低系统的可靠性。利用有限元软件ANSYS对一种磁悬浮飞轮系统的转子组件进行了温度场仿真，考虑了传导及辐射的传热方式，得到了飞轮转子组件的温度场分布，并且分析了组件材料属性对温度场分布的影响，最后对飞轮系统的强化传热进行了研究。分析所得温度值与实验测值相符，为磁悬浮飞轮系统的热设计及总体结构设计提供了重要依据。     

含油轴承表面供油行为与自润滑机理分析

含油轴承是一类重要的减摩自润滑零件,轴承基体中油液的渗流特性对表面润滑性能有重要影响. 建立含油轴承孔隙渗流与表面油膜润滑的耦合力学模型,分析含油轴承系统中油液的渗流特性,探讨轴承表面油液的供油行为与自润滑机理. 结果表明:在含油轴承的收敛区内同时存在周向旋转流、径向伸缩流和法向渗析流,油液在各方向上的流动状况由该向流体压力梯度决定;受油膜压力影响,油液在接触区向多孔基体渗入,在接触区入口部位向多孔表面析出,由此构成了油液渗入和析出的闭环速度流线,增强摩擦界面间的泵吸效应. 油液在法向上的渗析速度随中心膜厚增加而减小,随转速升高而增大,渗析速度越大,对泵吸效应的增强作用越显著,接触区入口的油液也更易进入摩擦界面,保障含油轴承的良好自润滑效果. 研究结果对揭示含油轴承的供油自润滑机理具有重要意义.      

线接触弹性流体动力润滑的供油条件分析

以油膜起始位置为参数,求出了等温线接触弹性流体动力润滑问题的完全数值解.通过流量分析,建立了有效供油膜厚与油膜起始位置之间的关系.结果表明,弹性流体动力润滑的供油方式可划分为过量供油、适量供油和乏油3种类型.在过量供油条件下大部分润滑油不能进入接触区,因而并不能改善润滑状态.在适量供油条件下所有润滑油均可通过接触区并能够获得最大的油膜厚度.在乏油条件下所有的润滑油也均可以通过接触区,而油膜厚度则完全由供油量确定.同时,数值结果也指出,只要运动表面存有数量级为1 μm厚的一层油液就足以满足适量供油条件而得到最佳的润滑效果.     

椭圆接触弹性流体动力润滑的供油条件分析

通过数值求解研究了椭圆接触弹流润滑的供油条件,分析了供油油膜厚度对乏油润滑中心膜厚和最小膜厚的影响,以及中心膜厚和最小膜厚与润滑油膜压力区形成位置的关系.结果表明:当供油油膜厚度较小时,中心膜厚和最小膜厚很小,压力区形成位置距Hertz接触区很近,处于严重乏油状态;当供油油膜的厚度达到一定数值时,中心膜厚和最小膜厚基本不变,多余的润滑油几乎不能进入接触间隙,即达到准充分供油状态;当供油油膜厚度继续增加时,乏油区最终消失,达到充分供油或过量供油状态.     

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。     

大型液体火箭姿控与跷振大回路耦合动力学建模与分析

大型液体火箭结构模态的空间化分布特征导致结构振动、姿态运动和推进系统液路脉动存在相互耦合,进而影响传统姿控回路的稳定性. 针对大型液体火箭, 充分考虑姿态控制系统对箭体姿态动力学和弹性振动的影响, 以及箭体结构弹性振动与推进系统的耦合作用(跷振(POGO)), 建立了姿控与跷振大回路耦合模型. 该模型包含了推进系统、结构系统与姿控系统之间的耦合因素, 可进行姿控-结构-推进大回路耦合机理研究. 该模型具有非奇异的优点, 可以直接用于频域分析和时域仿真. 基于该模型研究了我国某型号液体捆绑火箭推进系统参数——泵增益和蓄压器能量值对姿态运动与结构振动稳定性的影响. 研究得出, 泵增益和蓄压器能量值的变化不仅导致了结构振动的不稳定, 而且也导致了姿态运动的发散. 因此, 对于大型液体捆绑火箭, 推进系统与姿控系统之间存在不可忽略的耦合作用, 在设计姿控系统时, 有必要考虑推进系统对姿控系统稳定性的影响.      

挤压油膜阻尼器-滑动轴承转子系统动力学分析与优化设计

为了对挤压油膜阻尼器-转子系统中挤压油膜阻尼器(SFD)的各项参数进行优化设计,使转子系统的动力学性能达到最佳状态,本文综合运用转子动力学和油膜润滑基本理论以及数值分析方法,对SFD-滑动轴承转子系统的灵敏度及动力学优化进行了系统研究。灵敏度分析结果表明:轴承间隙c1、SFD间隙c2、油粘度η对转子系统的一阶临界转速的影响较大;SFD间隙c2、轴承间隙c1、转轴刚度K2对二阶临界转速的影响较大。据此得到优化的设计变量为c1、c2、η、K2,并采用遗传算法对临界转速进行了优化分析;经过优化后,系统的一阶、二阶临界转速差值由原来的510rad/s变为860rad/s,系统动力学性能得到较大改善。本文的优化设计结果可为此类转子系统的设计提供参考。     

轴承内部润滑油分布及回流的试验观察与研究

润滑是轴承良好工作性能和长寿命的重要保证,而球-滚道接触区外润滑油层的分布直接决定了接触区内润滑油膜的形成. 本文作者搭建了基于轴承模型的试验台,将轴承外圈替换成玻璃环,从而利用光学方法实现对钢球与外圈滚道形成的接触区及其附近润滑油层分布的直接观测和测量. 本文作者重点探究了供油量、速度等工况参数和润滑油黏度等物化特性对接触区附近润滑油分布和回流的影响规律,结果表明气穴变化与回流特征均受供油量、速度和润滑油黏度影响.      

基于荧光法的滚动轴承内部润滑油层分布研究

润滑油在轴承内的分布及其变化规律对轴承的润滑性能有显著影响. 在本文中搭建了滚动轴承模拟试验台,基于激光诱导荧光方法实现了滚动轴承内钢球-外圈接触区附近润滑油分布的观察与测量,获得了润滑油供给油层分布的三维形貌图,研究了不同供油量和转速对轴承内部供给油层分布的影响规律. 试验结果表明充分润滑条件下相邻钢球-外圈接触区供给油池之间会形成相互连接的油带;在高速情况下,钢球-外圈接触区供给油层厚度受前一个接触区尾部空穴影响而减小;供油量的增加会增大表观油池,但并不意味着入口有效供油层的增加.      

条状润湿表面对面接触限量润滑油膜的影响研究

利用面接触油膜润滑测量系统,研究了条状润湿表面对有限量供油条件下入口区供油分布及润滑油膜厚度的影响. 对玻璃盘润滑轨道两侧进行疏油化处理,形成中央条状润湿区域,在有限量供油条件下测量不同速度下的油膜厚度. 结果表明在表面力驱动下,润滑油向中央条状亲油区域集中,改善了入口区供油,促进了限量供油条件下的油膜形成. 相对油膜厚度随速度的增加呈“S”型变化,同时研究了润滑油黏度及供油量等工作参数对条状润湿轨道作用的影响.      

油浴润滑高速枢轴承摩擦系数变载荷测量方法

提出高速枢轴承摩擦系数变载荷测量方法并设计了试验装置,测量得到枢轴承在不同转速下的摩擦系数。各试验枢轴在相同转速下,摩擦系数测量值差别明显,这源于边界润滑的随机性和复杂性;但是各轴摩擦系数均随转速升高而降低,测量平均值在0.09~0.05之间,这表明随枢轴承转速升高,流体动压效应增强,薄膜润滑降低了轴尖与宝石接触概率。通过对轴承摩擦损耗的计算来分析测量方法的可靠性,并将该方法应用于螺旋槽油膜轴承,测得其摩擦系数在0.017~0.014之间。     

微量第二润滑介质辅助的增强水润滑研究

研究了一种微量第二润滑介质辅助的增强水润滑方案. 在水润滑环境下,测量了丁腈橡胶块-不锈钢环接触入口区短时(10 s)注入微量乳化油(100 μL)时的摩擦力特性. 结果表明:在试验工况下短时注入微量乳化油降低了橡胶块磨损. 低速时,摩擦副处于混合润滑状态,短时注入的乳化油减摩效果明显;速度升高时,短时注入的乳化油使轴承特性系数增加,会引起摩擦力增加. 此外,在水环境下利用线接触光干涉技术揭示了乳化油以离水展着的方式形成承载润滑膜. 研究工作为应对短时恶劣工况下的水润滑失效提供新的思路,为水环境下微量乳化油的辅助润滑调控提供数据支持.      

介观双粗糙弹塑性流体动力润滑界面法向接触刚度模型

弹性流体动力润滑状态通常出现在机械高副零部件的点/线接触部位,如齿轮、轴承和蜗轮蜗杆等.宏观上点/线接触在介观层面表现为两粗糙表面的接触,在微观层面上则又表现为微凸体间的接触.由于在中/重载荷作用下,粗糙表面上的微凸体发生接触后会产生弹塑性/塑性变形,从而使得两粗糙表面的弹流润滑接触转变为弹塑性流体动力润滑接触.此外,界面的接触刚度决定了机械装备的整机刚度.为了精确获得弹性流体动力润滑状态下界面法向接触刚度及其主要影响因素,基于界面的法向接触刚度由固体接触刚度和润滑油膜刚度两部分构成的思想,根据固体弹塑性理论和流体动力学理论,分别对界面间微凸体侧接触及部分膜流体动力润滑进行分析,从微观入手揭示双粗糙表面弹塑性流体动力润滑接触机理,进而建立考虑微凸体侧接触弹塑性变形的流体动力润滑界面法向接触刚度模型.通过仿真分析,揭示了法向载荷、卷吸速度、表面粗糙度及润滑介质特性等因素对润滑界面法向接触刚度的影响规律.研究表明：在相同速度、粗糙度及润滑油黏度的工况下,固体接触刚度和油膜接触刚度均随着法向接触载荷的增加呈非线性增大;在相同载荷、速度及润滑油黏度的工况下,接触表面粗糙度越大,表面形貌对于润滑...     

高压微间隙下4010航空油的润滑特性研究

在自制的新型膜厚测量仪上,测量4010航空油在不同接触压力、温度和卷吸速度下的干涉图像,分析接触区的润滑特性。结果表明：在低温高速区主要表现为弹流润滑,中心膜厚与接触压力呈负相关;而在低温低速、高温区主要表现为薄膜润滑,中心膜厚受接触压力的影响较小。在弹流润滑区内高接触压力下油膜形状呈平坦状分布,而薄膜润滑区内油膜形状总体上比较平滑。随着载荷的增加,弹流润滑区内由Hamrock-Dowson理论算得的膜厚值和实测值逐渐偏离,理论公式中卷吸速度和载荷的指数需要调整;而薄膜润滑区的膜厚值基本上保持平稳。     

高速球铣加工表面微沟槽形貌形成方法及其减摩性能研究

高速球铣加工表面通常具有一定的残留形貌,采用Matlab形貌仿真与切削加工试验研究了高速球铣加工表面微沟槽形貌的形成方法;并基于流体动压润滑理论,通过Fluent流体仿真与润滑工况下的滑动摩擦试验,研究了表面微沟槽形貌的承载能力关于滑动速度和径向切深的响应规律,并分析了减摩机理. 结果表明:当给定每齿进给量后,随着径向切深的增大,可以获得具有微沟槽特征的表面形貌. 微沟槽承载能力随着滑动速度的提高而逐渐增大;随着径向切深的提高,承载能力呈现先增后减的趋势,这是由于其与楔形效应和逆流现象交互作用影响相关,当径向切深较小时,楔形效应占主导地位,承载能力较强,随着径向切深的进一步增大,逆流现象会严重减弱楔形效应,导致微沟槽承载能力下降.