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箔片轴承固体润滑用类金刚石薄膜的设计、制备和性能研究

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箔片轴承固体润滑用类金刚石薄膜的设计、制备和性能研究

作者：郑越青中国工程物理研究院

学位级别：硕士

箔片轴承是一种自作用柔性表面动压气体轴承,靠流体动力润滑机理工作。然而,箔片轴承在起停过程中转速较低时,转轴与箔片内表面间无法形成有效的动压润滑气膜而处于接触摩擦状态。因此,箔片轴承使用中需要一种固体润滑镀层来降低接触摩... 详细信息

箔片轴承是一种自作用柔性表面动压气体轴承,靠流体动力润滑机理工作。然而,箔片轴承在起停过程中转速较低时,转轴与箔片内表面间无法形成有效的动压润滑气膜而处于接触摩擦状态。因此,箔片轴承使用中需要一种固体润滑镀层来降低接触摩擦,从而降低工件磨损和摩擦力。但国内对于箔片轴承表面镀层的研究一直相对滞后,已成为制约我国箔片轴承技术发展与应用的主要障碍之一。本文研究工作正是针对这一需求展开。本文研究中尝试以一种新型固体润滑镀层——类金刚石薄膜(Diamond-like carbonfilm,简称DLC薄膜)作为箔片轴承的固体润滑镀层。主要研究工作和结果如下：1)针对DLC薄膜普遍存在的与金属基底结合强度较差和内应力高的问题,对DLC薄膜进行了材料设计。在材料设计中借鉴过渡层技术与掺杂技术,设计了具有梯度结构的复合DLC薄膜。2)提出一种基于牛顿法的拉曼光谱高斯拟合算法。该方法实现了DLC薄膜拉曼光谱的计算机自动拟合,拟合结果准确性更高、重复性更好,为研究DLC薄膜的拉曼光谱特性提供一种方便可靠的工具。3)采用中频磁控溅射技术对设计的具有梯度结构的复合DLC薄膜进行实现。制备了三种DLC薄膜,分别为掺钛类金刚石(Ti-DLC)薄膜、掺铬类金刚石(Cr-DLC)薄膜、以及无掺杂类金刚石(C-DLC)薄膜,并采用多种仪器与方法对制备的DLC薄膜进行了分析比较。结果表明,过渡层与金属掺杂均有助于DLC薄膜内应力的降低和结合强度的提高。三种DLC薄膜中综合性能最优的Ti-DLC薄膜具有高达29N左右的结合强度,其厚度超过1.5μm,薄膜内应力低于1.0GPa,并且具有优异的摩擦磨损性能(摩擦系数最低达到0.03,摩擦率低至10-7mm3／Nm量级)。4)为讨论箔片轴承摩擦副表面镀膜的方案,进行了DLC薄膜摩擦副配对实验研究。实验在球-盘式往复摩擦磨损实验机上进行,以镀膜或未镀膜的小尺寸铍青铜箔片与钢球(镀膜钢／未镀膜铍青铜、未镀膜钢／镀膜铍青铜、镀膜钢／镀膜铍青铜)组成摩擦副系统。结果表明,当箔片与钢球表面均镀覆DLC薄膜时,系统摩擦系数最低(-0.1),摩擦副的两对偶面磨损最小,并由此确定了在箔片与转轴表面均镀覆DLC薄膜的方案。5)以镀覆DLC薄膜的转轴与镀覆DLC薄膜的箔片组成摩擦副,在箔片轴承台架实验平台上进行了台架实验。台架实验研究结果与摩擦磨损实验机实验结果差异较大,分析认为这与DLC薄膜热稳定性有关,并通过补充的DLC薄膜高温摩擦磨损实验以印证以上分析。

关键词：箔片轴承固体润滑 DLC薄膜结合强度内应力摩擦磨损性能

多层鼓泡弹性支承箔片动压气体轴承的实验研究

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东北大学学报（自然科学版） 2014年第3期35卷 415-418页

作者：赖天伟郑越青陈双涛侯予西安交通大学能源与动力工程学院陕西西安710049 中国工程物理研究院机械制造工艺研究所四川绵阳621900

在单层鼓泡箔片动压气体轴承的基础上,提出了多层鼓泡箔片轴承的新型结构.该种新型结构可以通过合理选择上下层鼓泡箔片上鼓泡的结构参数和相对位置,产生不同的刚度和阻尼效果.该种轴承结构弹性支承元件的轴向和周向刚度可调,且具有良... 详细信息

在单层鼓泡箔片动压气体轴承的基础上,提出了多层鼓泡箔片轴承的新型结构.该种新型结构可以通过合理选择上下层鼓泡箔片上鼓泡的结构参数和相对位置,产生不同的刚度和阻尼效果.该种轴承结构弹性支承元件的轴向和周向刚度可调,且具有良好的结构阻尼特性;同时多层鼓泡箔片之间的滑移能够产生附加库仑阻尼,因此提高了轴承的稳定性.实验中透平膨胀机采用25 mm直径的转子时最高转速达到了99 044 r/min.在整个升速和降速过程中低频涡动均较小,验证了此种新型箔片轴承具有优异的抑制不稳定涡动的效果,有望应用在高速透平机械中.

关键词：气体轴承鼓泡箔片多层结构可调刚度高速透平机械

多层弹性支承箔片动压气体径向轴承稳定性的实验研究

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西安交通大学学报 2014年第3期48卷 79-83页

作者：赖天伟马斌郑越青侯予陈双涛西安交通大学能源与动力工程学院西安710049 中国工程物理研究院机械制造工艺研究所四川绵阳621900

为了保证轴承支承高速转子的稳定运行,提出了一种具有多层弹性支承结构的新型箔片动压气体轴承。该轴承采用两层或多层具有鼓泡状凸起阵列的金属箔片作为弹性支承结构,通过调整鼓泡阵列的周向和轴向截距或调整上下层弹性箔片布置,可以... 详细信息

为了保证轴承支承高速转子的稳定运行,提出了一种具有多层弹性支承结构的新型箔片动压气体轴承。该轴承采用两层或多层具有鼓泡状凸起阵列的金属箔片作为弹性支承结构,通过调整鼓泡阵列的周向和轴向截距或调整上下层弹性箔片布置,可以实现轴承支承刚度特性和阻尼特性的调节。在直径为25mm主轴的高速(10万r/min)透平膨胀机上,实验研究了这种箔片轴承支承高速转子的运转特性,详细分析了3种典型排列方式下转速与压力的关系,以及高速转子升速及降速特性。结果表明:采用不同的多层结构排列方式,可以有效调整和改善弹性箔片轴承支承高速透平转子的刚度和阻尼特性,抑制高速转子的不稳定涡动;多层弹性箔片轴承能够产生多重刚度及多重阻尼,从而改进了传统箔片轴承刚度和阻尼的影响,改善了弹性箔片动压气体轴承的稳定性和可靠性。

关键词：箔片气体轴承动压轴承多层结构稳定性

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空气静压止推轴承设计参数耦合关系研究

润滑与密封 2013年第2期38卷 23-26页

作者：徐刚舒行军郑越青中国工程物理研究院机械制造工艺研究所四川绵阳621900 西安交通大学能源与动力工程学院陕西西安710049

以中心孔圆盘空气静压止推轴承作为分析对象,研究气膜间隙、节流孔直径、气浮面直径及供气压力4个设计参数对轴承承载特性的影响,并探讨4个设计参数间的耦合关系。分析表明:增大供气压力或增大气浮面积可直接提高刚度,然而减小气膜间隙... 详细信息

以中心孔圆盘空气静压止推轴承作为分析对象,研究气膜间隙、节流孔直径、气浮面直径及供气压力4个设计参数对轴承承载特性的影响,并探讨4个设计参数间的耦合关系。分析表明:增大供气压力或增大气浮面积可直接提高刚度,然而减小气膜间隙则需要匹配合适的节流孔直径才能保证刚度提高;供气压力和气浮面直径与其他参数耦合关系较弱,表现为不同的供气压力和气浮面直径下,最优气膜间隙几乎不变,而节流孔径与气膜间隙耦合关系非常明显,不同节流孔径下的最优气膜间隙不同。

关键词：空气静压轴承承载特性耦合关系

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波箔箔片动压气体轴承的实验研究

西安交通大学学报 2014年第1期48卷 118-122页

作者：马斌孙皖赖天伟郑越青陈双涛侯予西安交通大学能源与动力工程学院西安710049 中国工程物理研究院机械制造工艺研究所四川绵阳621900

为满足透平机械高速可靠运转的需求，设计了一种波箔型箔片轴承，其基本结构由柔性平箔和支承平箔的弹性波箔组成。在气体轴承一高速低温透平膨胀机实验台上对波箔箔片动压气体轴承进行了实验，实验中采用压缩空气驱动透平转子，以功率7... 详细信息

为满足透平机械高速可靠运转的需求，设计了一种波箔型箔片轴承，其基本结构由柔性平箔和支承平箔的弹性波箔组成。在气体轴承一高速低温透平膨胀机实验台上对波箔箔片动压气体轴承进行了实验，实验中采用压缩空气驱动透平转子，以功率75kW的阿特拉斯螺杆压缩机作为供气源，从而获得了0．1～1．15MPa、标准工况下最高流量为600m3／h的压缩空气。将波箔厚度为0．05mm及0．07mm的2种箔片动压气体径向轴承，应用于主轴025mm的标准工况下150m3／h制氧机用高速透平膨胀机，研究了箔片支承高速透平转子的振动特性及稳定性。实验结果表明：波箔弹性元件的刚度是轴承性能的重要影响因素之一，0．05mm波箔刚度小，柔性变形裕度较大，可以抑制转子不稳定涡动，透平膨胀机转子最高转速达93366r／min；0．07mm波箔刚度较大，柔性变形裕度相对较小，当最高转速达到93161r／min时转子出现涡动。2种波箔厚度的轴承最高转速达到9．3万r／min时转子的最大振幅均小于20μm，波箔轴承表现出了良好的刚度和阻尼特性，可有效抑制西25mm的高速透平膨胀机转子的涡动。

关键词：动压气体轴承箔片透平膨胀机实验研究

大承载波箔型空气动压轴承性能的工程实验研究

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润滑与密封 2017年第4期42卷 125-131页

作者：舒行军徐刚郑越青肖永华中国工程物理研究院机械制造工艺研究所四川绵阳621900 西安交通大学能源与动力工程学院陕西西安710049

通过工程实验的方法,研究大承载波箔型空气动压轴承的性能。通过构建倒置式的动压轴承实验系统,对设计的用于132 kW风机的动压轴承进行起飞特性、承载能力、涂层效果、轴承间隙、启停寿命等工程实验研究。提出一种采用动力学方法来确定... 详细信息

通过工程实验的方法,研究大承载波箔型空气动压轴承的性能。通过构建倒置式的动压轴承实验系统,对设计的用于132 kW风机的动压轴承进行起飞特性、承载能力、涂层效果、轴承间隙、启停寿命等工程实验研究。提出一种采用动力学方法来确定空气动压轴承起飞转速的方法,使起飞转速的判断更准确。对实际制造的轴承的工程实验表明,该轴承能在5 000 r/min左右起飞,承载能力大于154 N;涂层的减磨耐磨效果良好,能满足10 000次的启停要求;轴承的实际使用性能在间隙在0.3 mm左右时最佳。

关键词：空气动压轴承起飞转速承载能力轴承间隙

高速透平箔片动压气体轴承固体润滑涂层研究进展

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流体机械 2013年第5期41卷 34-37,6页

作者：郑越青马斌孙皖侯予西安交通大学陕西西安710049 中国工程物理研究院机械制造工艺研究所四川绵阳621900

箔片动压气体轴承广泛应用于高速透平膨胀机、微小型燃气轮机、涡轮增压机等高速透平机械中。固体润滑涂层可为箔片动压气体轴承提供启停阶段的润滑保护,对保证箔片动压气体轴承稳定性与使用寿命至关重要。本文回顾了国内外箔片动压气... 详细信息

箔片动压气体轴承广泛应用于高速透平膨胀机、微小型燃气轮机、涡轮增压机等高速透平机械中。固体润滑涂层可为箔片动压气体轴承提供启停阶段的润滑保护,对保证箔片动压气体轴承稳定性与使用寿命至关重要。本文回顾了国内外箔片动压气体轴承固体润滑涂层的研究历史与现状;结合文献资料着重分析了PS系列、Korolon系列和DLC系列的固体润滑涂层特性,并对其应用场合和优缺点进行了探讨。

关键词：箔片动压气体轴承高速透平机械固体润滑涂层

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动压箔片轴承关键技术

动压箔片轴承关键技术

作者：郑越青

为满足航空航天、能源动力工程领域技术发展对高速回转机械可靠运转的需求,迫切需要能够承担高速运转的轴承技术。由于高转速下润滑油易遭到高温破坏,加上润滑油会给系统带来污染,因此传统的油润滑轴承不能满足超高速应用场合要求。而...

为满足航空航天、能源动力工程领域技术发展对高速回转机械可靠运转的需求,迫切需要能够承担高速运转的轴承技术。由于高转速下润滑油易遭到高温破坏,加上润滑油会给系统带来污染,因此传统的油润滑轴承不能满足超高速应用场合要求。而磁悬浮轴承因其昂贵的造价、复杂的结构以及繁琐的控制系统其应用也受到限制。动压箔片轴承能够很好地满足高速回转机械稳定运转的需要和高温及洁净度的要求,是高速回转机

关键词：

来源： cnki会议评论

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气体动压箔片径向轴承工程应用试验研究

轴承 2017年第3期 31-35页

作者：徐刚舒行军郑越青蓝河中国工程物理研究院机械制造工艺研究所四川绵阳621900

通过构建正置式的动压轴承性能验证平台,对设计制造的动压轴承进行了启停寿命、运行稳定性、温升特性、轴承互换性、与传统滚动轴承的比较等工程试验研究,结果表明:研制的动压轴承启停寿命大于104次;运行时的轴心轨迹在±0.03 mm以内,... 详细信息

通过构建正置式的动压轴承性能验证平台,对设计制造的动压轴承进行了启停寿命、运行稳定性、温升特性、轴承互换性、与传统滚动轴承的比较等工程试验研究,结果表明:研制的动压轴承启停寿命大于104次;运行时的轴心轨迹在±0.03 mm以内,运行稳定;温升稳定在可接受的范围内;轴承能满足工程互换性要求;动压轴承具有良好的减振、降噪、长寿命的特性,取得了较好的工程应用效果。

关键词：空气动压轴承试验台设计启停寿命互换性