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波箔型动压气体轴承间隙非一致滑移流场

航空动力学报 2024年第08期 477-489页

作者：张镜洋孙义建吕元伟张靖周陈卫东刘晨晨南京航空航天大学航天学院南京航空航天大学能源与动力学院南京航空航天大学机械结构力学及控制国家重点实验室中国航空工业集团有限公司金城南京机电液压工程研究中心

为揭示界面滑移对动压气体轴承间隙流场的影响机理，以波箔型动压气体径向轴承为研究对象，建立周向非一致滑移修正雷诺方程并采用超松弛迭代法进行求解，分析了转速、偏心率、间隙高度和箔片变形等因素变化下滑移对轴承间隙内流场的影... 详细信息

为揭示界面滑移对动压气体轴承间隙流场的影响机理，以波箔型动压气体径向轴承为研究对象，建立周向非一致滑移修正雷诺方程并采用超松弛迭代法进行求解，分析了转速、偏心率、间隙高度和箔片变形等因素变化下滑移对轴承间隙内流场的影响。结果表明：随着转速的增大或间隙高度的减小，流固界面由无滑移状态转变为静子侧滑移状态，并最终达到两侧均滑移状态，转子侧从压力上升区、静子侧从压力下降区向两侧滑移区域面积和速度逐渐增大；而偏心率的增大仅会导致滑移速度增大，而滑移区域面积几乎不变；箔片变形使滑移速度场呈现阶梯状分布。非一致滑移对最高气膜压力最大影响可达17%。速度梯度和压力场显著变化诱导界面剪应力和极限剪应力复杂演化而产生上述规律。

关键词：动压气体轴承微尺度箔片界面滑移流场

动压气体轴承间隙微流动的格子Boltzmann模拟与试验研究

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动压气体轴承间隙微流动的格子Boltzmann模拟与试验研究

作者：鹿翔宇东南大学

学位级别：硕士

动压气体轴承与传统的滚动轴承相比具有极限转速高、使用寿命长、加工精度高和稳定性好等优势,在航空航天、精密制造和低温制冷等无油高速旋转机械中得到了广泛应用。目前,动压气体轴承的应用领域不断拓宽,正朝着高速化和微型化的方向发... 详细信息

动压气体轴承与传统的滚动轴承相比具有极限转速高、使用寿命长、加工精度高和稳定性好等优势,在航空航天、精密制造和低温制冷等无油高速旋转机械中得到了广泛应用。目前,动压气体轴承的应用领域不断拓宽,正朝着高速化和微型化的方向发展,轴承间隙的润滑流体特性和微流动效应对轴承性能的影响更加突出,开展相关的理论研究十分重要。当极小的气膜厚度使流体位于过渡区时,基于连续性假设的宏观雷诺方程将不再适用,因此本文从介观尺度研究了轴承间隙内的流动特性和热特性,并进行可视化试验,主要研究内容如下:针对简化的弹性箔片动压气体轴承,本文首先建立了研究间隙流动特性和轴承性能的格子Boltzmann模型。使用D2Q9的多松弛时间格子Boltzmann模型,通过非平衡外推思想引入Langmuir速度滑移边界条件,实现滑移区和过渡区的微流动模拟。同时将模型推广到任意形式的贴体网格上,采用广义插值补充格子Boltzmann方法(GILBM)进行求解。使用上述模型研究了不同轴承参数和速度滑移对于间隙流动特性和轴承性能的影响。研究表明,最大间隙处的速度分布曲线向下弯曲,当偏心率大于0.73、转速低于30krpm或间隙小于40μm时,发生了气体回流现象,并且边界速度滑移会加快回流的出现。最小间隙处的速度分布曲线向上弯曲,低转速或大间隙下弯曲程度加重。轴颈侧的滑移速度呈类似正弦的分布规律,而轴承套侧的滑移速度呈抛物线分布。随着偏心率的增加,转速的提升或间隙尺寸的减小,边界的速度滑移效应加强,气膜的极值压力、承载力和摩擦转矩都呈现增大的趋势,并且速度滑移程度的加大会对轴承静特性造成更大的影响。建立了动压气体轴承气膜粘性热耗散研究模型,将总能形式的双分布函数格子Boltzmann模型通过有限差分离散应用于体贴网格中,同时引入Langmuir温度阶跃边界条件。在验证完模型准确性后,模拟研究了不同参数下的气膜温度分布。结果表明,轴颈与轴承套两侧温差较大时,径向温度呈线性分布,以热传导为主;当两侧温差较小时,径向温度呈抛物线分布,粘性热耗散占主导地位。随着偏心率增加,最大气膜温度近似线性递增,0.8偏心率的温度阶跃导致的温度提升约是无偏心情况下的6.9倍。随着转速的提升,最大气膜温度增加得越来越快,温度阶跃带来的粘性热耗散提升程度相差不大。随着间隙尺寸的减小,最大气膜温度增加且变化速率加快,温度阶跃的影响也逐渐加大,25μm下的温度阶跃导致的温度提升约是75μm下的7.5倍。研制了动压气体轴承间隙流动特性研究试验台,测试了不同偏心率和转速对于间隙流体速度场和压力场的影响,并与模拟结果对比。研究表明,随着偏心率的增加,最大间隙中间位置的速度线性增加,最小间隙中间位置的速度和最大气膜压力呈现不同趋势的增加。随着转速的提升,最大间隙和最小间隙中间位置的速度以及最大气膜压力均呈线性增加。试验结果与模拟结果的变化规律相似,并且最大误差为14.73%,表明了数值模型的可靠性。

关键词：动压气体轴承格子Boltzmann方法速度滑移温度阶跃 micro-PIV

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动压气体轴承的动态刚度和动态阻尼系数

机械工程学报 2007年第5期43卷 91-98页

作者：戚社苗耿海鹏虞烈西安交通大学机械电子及信息系统研究所西安710049

采用偏导数法求解动压气体润滑Reynolds方程,给出动压气体轴承动态刚度和动态阻尼系数普遍适应的计算方法。进行有限元数值仿真,计算动压气体轴承的动态刚度和动态阻尼系数,并重点研究轴颈扰动频率和不同轴颈扰动频率下的轴承静态载荷... 详细信息

采用偏导数法求解动压气体润滑Reynolds方程,给出动压气体轴承动态刚度和动态阻尼系数普遍适应的计算方法。进行有限元数值仿真,计算动压气体轴承的动态刚度和动态阻尼系数,并重点研究轴颈扰动频率和不同轴颈扰动频率下的轴承静态载荷及轴承数对这些系数的影响。从理论上解释动压气体轴承的动态刚度和动态阻尼系数与轴颈扰动频率的密切相关性。

关键词：动压气体轴承动态刚度系数动态阻尼系数偏导数法轴颈扰动频率

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动压气体轴承直流永磁电机可靠性分析

中国惯性技术学报 2013年第3期21卷 402-405,410页

作者：杨凤英王智奇王鹏飞陈金来郭德青天津航海仪器研究所天津300131 海军驻沪东中华造船(集团)有限公司军事代表室上海200219

动压气体轴承无刷直流永磁电机应用于高精度液浮陀螺仪中,永磁电机的优越性在陀螺仪的性能方面得到了充分体现,但是动压气体轴承直流永磁电机在应用过程中也表现出了可靠性方面的一些问题,如:轴承容易被污染、启动可靠性差等等。电机的... 详细信息

动压气体轴承无刷直流永磁电机应用于高精度液浮陀螺仪中,永磁电机的优越性在陀螺仪的性能方面得到了充分体现,但是动压气体轴承直流永磁电机在应用过程中也表现出了可靠性方面的一些问题,如:轴承容易被污染、启动可靠性差等等。电机的可靠性不仅影响陀螺仪的可靠性,而且还影响系统的可靠性,因此电机的可靠性问题必须解决。从理论上分析:影响电机可靠性的原因不仅包括电机及轴承的结构特点,而且还包括控制电路的因素。根据理论分析结果对电机的整体结构和控制电路进行了改进设计,实践证明:改进后轴承内的污染物明显减少、电机的启动可靠性明显提高。

关键词：动压气体轴承直流永磁电机轴承卡死轴承被污染轴承磨损启动失效

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动压气体轴承性能计算方法研究

机械强度 2006年第3期28卷 369-373页

作者：戚社苗耿海鹏虞烈西安交通大学机械电子及信息系统研究所现代设计及转子轴承系统教育部重点实验室西安710049

通过数学变换,将动压气体润滑Reynolds方程变换成标准的椭圆型偏微分方程形式,以MATLABPDE(partialdifferentialequation)工具箱为求解器,编制迭代计算程序,实现动压气体轴承性能的高精度计算。文中的计算结果与以往发表的数值计算结果... 详细信息

通过数学变换,将动压气体润滑Reynolds方程变换成标准的椭圆型偏微分方程形式,以MATLABPDE(partialdifferentialequation)工具箱为求解器,编制迭代计算程序,实现动压气体轴承性能的高精度计算。文中的计算结果与以往发表的数值计算结果非常吻合,这表明所提出计算方法的正确性。文中计算方法的思想可以推广应用于其他类型轴承的性能计算及其他类型偏微分方程问题的求解中。

关键词：动压气体轴承计算方法数学变换椭圆型偏微分方程 MATLAB PDE工具箱

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径向动压气体轴承承载能力的CFD分析

润滑与密封 2022年第1期47卷 81-88页

作者：龚霖殷玉枫张锦赵春江柴晓峰曾光太原科技大学机械工程学院山西太原030024 山西交通职业技术学院山西太原030031

为改进计算精度和提高计算效率,采用CFD软件Fluent对径向动压气体轴承承载能力进行分析。使用软件Solidworks建立径向动压气体轴承三维物理建模;从可压缩流体润滑方程及连续性方程出发,得到等温条件下动压润滑雷诺方程的基本形式,运用... 详细信息

为改进计算精度和提高计算效率,采用CFD软件Fluent对径向动压气体轴承承载能力进行分析。使用软件Solidworks建立径向动压气体轴承三维物理建模;从可压缩流体润滑方程及连续性方程出发,得到等温条件下动压润滑雷诺方程的基本形式,运用有限差分法计算径向动压轴承的压力分布及承载力等特性;采用Fluent进行有限元仿真模拟,直接求解气体润滑基本方程Navier-Stokes方程,分析偏心率和长径比等轴承参数对气体轴承承载能力的影响。结果表明:轴承整体气膜的压力分布沿轴承轴向中线几何对称,由于轴承的偏心作用,在轴承最下端为气膜最薄的区域;气体流入方向存在正压最大区域,气体流出方向存在负压最大区域,由于气体的压差使得轴承具有了一定的承载能力;随着偏心率和长径比的增大,轴承的承载能力随着转速的变化呈非线性上升趋势。

关键词：动压气体轴承 CFD 气体润滑承载力动压润滑

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界面滑移对动压气体轴承间隙流动特性的影响

润滑与密封 2022年第12期47卷 1-8页

作者：张镜洋孙义建吕元伟罗欣洋南京航空航天大学航天学院江苏南京210016 航空机电系统综合航空科技重点实验室江苏南京210016

为揭示转子静子表面流固界面非一致滑移状态下动压气体轴承转静子间隙流动机制以及对轴承性能的影响,建立界面非一致滑移修正雷诺方程,并耦合气膜厚度方程进行超松弛迭代求解,数值分析研究转静侧滑移状态、偏心率、间隙尺寸和耦合弹性... 详细信息

为揭示转子静子表面流固界面非一致滑移状态下动压气体轴承转静子间隙流动机制以及对轴承性能的影响,建立界面非一致滑移修正雷诺方程,并耦合气膜厚度方程进行超松弛迭代求解,数值分析研究转静侧滑移状态、偏心率、间隙尺寸和耦合弹性箔片对间隙气膜流动特性的影响。结果表明:流固界面滑移状态对转静子间隙流动及其轴承性能具有显著的影响;转子侧滑移发生在压力上升区,这使得高压区压力减小;而静子侧滑移发生在压力下降区,使得高压区压力增大;与无滑移情形相比,局部滑移时间隙气膜压力峰值变化增幅达12%。在研究的参数范围内,随着偏心率减小和间隙高度增大,间隙界面滑移状态逐渐由转子侧滑移占主导向静子侧滑移占主导转变;耦合弹性箔片时,滑移区域增大1~4倍,滑移速度增大2~8倍,间隙气膜压力呈现双峰值分布。

关键词：动压气体轴承微尺度偏心箔片界面滑移

基于格子Boltzmann方法的动压气体轴承黏性热耗散研究

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润滑与密封 2023年第6期48卷 95-103页

作者：鹿翔宇许波陈振乾东南大学能源与环境学院江苏南京210096

箔片气体轴承微间隙内的流场常处于滑移区,甚至过渡区,会出现一些微观效应,其热特性的研究采用宏观方法已不再合适。为研究不同工况下动压气体轴承间隙热特性变化规律,基于格子Boltzmann方法建立包含黏性热耗散项的径向轴承间隙传热数... 详细信息

箔片气体轴承微间隙内的流场常处于滑移区,甚至过渡区,会出现一些微观效应,其热特性的研究采用宏观方法已不再合适。为研究不同工况下动压气体轴承间隙热特性变化规律,基于格子Boltzmann方法建立包含黏性热耗散项的径向轴承间隙传热数值模型;采用总能形式的双分布函数热模型,通过有限差分离散将其应用到贴体网格中,同时引入速度滑移和温度阶跃边界条件,通过数值计算得到不同参数下的轴承间隙气膜温度分布,并分析了不同埃克特数(Ec)、偏心率和转速条件以及温度阶跃对黏性热耗散的影响。结果表明,当Ec数、偏心率和转速增大时,气膜最高温度增加,两侧的温度阶跃增加;温度阶跃效应的忽略均会导致黏性热耗散量不同程度的低估。

关键词：动压气体轴承黏性热耗散热特性格子Boltzmann方法温度阶跃

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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