氣體動壓徑向軸承性能設計計算【文獻綜述】

1、<p><b>　　畢業(yè)設計開題報告</b></p><p>　　機械設計制造及其自動化</p><p>　　氣體動壓徑向軸承性能設計計算</p><p><b>　　1前言部分</b></p><p>　　氣體軸承是一種理想的支承元件。與滾動軸承及油潤滑滑動軸承相比,氣體軸承具有速度高、

2、精度高、功耗低和壽命長四大優(yōu)點,同時,它打開了常規(guī)支承所長期回避的一些潤滑禁區(qū),應用范圍越來越廣。</p><p>　　氣體潤滑的主要特征表現(xiàn)為氣體的可壓縮性,因此可壓縮流體Reynolds 方程是氣體軸承性能計算的基本方程,這個非線性偏微分方程僅對于特殊的間隙形狀才可能求得解析解,而對于一般的氣體潤滑問題,無法用解析方法求得精確解。</p><p>　　在氣體軸承的性能計算中,通常使用近

3、似解法或數值解法。數值解法所得到的計算結果與實驗結果更為接近,所以被廣泛采用。最常用的數值方法是有限差分法、有限元法和邊界元。數值方法雖然是求解氣體軸承性能的有效途徑,但是這些算法本身都是相當復雜的,而計算程序的編制和調試過程又是非常耗時的。因此尋求一種簡單、高效的氣體軸承性能計算方法,無疑具有重要的工程意義。MATLAB 的PDE工具箱為這種方法提供了可能。</p><p>　　MATLAB PDE 工具箱在許

4、多學科中得到有效的應用,但這些應用大多局限于在圖形用戶界面中對符合PDE 工具箱要求的標準形式的偏微分方程進行直接求解,對于非標準形式的復雜偏微分方程,這種方法是無能為力的。</p><p>　　本課題研究如何通過數學變換,將描述動壓氣體潤滑的可壓縮流體Reynolds 方程變換成標準的橢圓型偏微分方程形式,進而以MATLAB 的PDE 工具箱為求解器,編制迭代計算程序,實現(xiàn)動壓氣體軸承性能的高精度計算。<

5、/p><p><b>　　2主題部分</b></p><p>　　潤滑理論及選型 經典的彈流理論考慮了固體表在流體動壓作用下的彈性變形、潤滑劑的粘度和可壓縮性，其預測的油膜厚度不能滿意地解釋為什么牽引力的數值是隨著滾動速度或滑動速度變化的。而邊界潤滑狀態(tài)和薄膜潤滑狀態(tài)兩種新理論的提出為這一問題的解決奠定了基礎，但這種潤滑狀態(tài)尚未被完全認知，其計算方法和模型尚在研究中，是目

6、前摩擦學研究的主要問題。近年來多相流體潤滑研究更加豐富和發(fā)展?jié)櫥碚?，為潤滑系統(tǒng)濾清設計、固體添加劑設計以及潤滑與磨損研究相結合提供了重要的理論指導。潤滑選型設計一般從潤滑劑類型選擇和潤滑方式兩方面入手：潤滑劑應根據其粘度來確定；常用的潤滑方式有滴油、浴油、濺油、強迫潤滑等，根據摩擦副的運動速度來確定。</p><p>　　早在1854年，法國人G.A.伊恩就提出過用氣體作潤滑劑的設想。 1896年第一個空氣軸承

7、問世。 1913年英國人W.J.哈里森發(fā)表氣體潤滑軸承流體動力學分析的論文。 50年代以來，氣體軸承的應用逐步擴大，并受到廣泛和深入的研究。</p><p>　　國內波箔型徑向軸承的研究進展 我國對波箔型動壓氣體軸承的研究相對較晚，20世紀90年代初，上海理工大學、中國航空工業(yè)第609所等曾對波箔型和懸臂型箔片軸承進行過初步研究。2006年，楊利花、石建華和劉恒等建立試驗臺對起飛轉速、承載能力及其動特性等進行了試

8、驗研究，采用摩擦力矩法和徑向</p><p>　　位移響應頻譜法判定軸承的起飛轉速，這標志著我國在波箔型氣體軸承的試驗研究方面邁出了重要一步。2004和2005年，虞烈、戚社苗等引入柔性箔片的動靜變形，將軸承動態(tài)剛度和動態(tài)阻尼的計算歸結為對動態(tài)Reynolds方程和柔性支承結</p><p>　　構動態(tài)彈性變形方程聯(lián)立求解，在線性范圍內為波箔型軸承支承的轉子系統(tǒng)動力學分析提供了一種方法 。

9、2006年，崔明現(xiàn)、候予等在波箔變形為彈性小變形、沿寬度方向變形相等的假設條件下，考慮波箔與接觸面之間的摩擦作用力，建</p><p>　　立波箔片力學模型進行理論分析，得出計算波箔局部機構剛度的簡化公式并分析了影響波箔軸承結構剛度的參數，可為軸承設計提供一定的指導作用。耿海鵬、戚社苗等引入輔助分析部件和利用剛體與柔性體間的多步非線性接觸算法求解大預緊多葉徑向軸承中的預緊變形和非線性接觸行為，將Reynolds方

10、程和非線性的接觸求解過程耦合起來迭代求解，得到大預緊效應的多葉箔片軸承靜態(tài)承載性能，對進一步優(yōu)化設計波箔型軸承具有重要意義。</p><p>　　國外波箔型徑向軸承的試驗研究進展</p><p>　　圖1第一代波箔型動壓氣體徑向軸承</p><p>　　圖2三葉波箔型動壓氣體軸承</p><p>　　圖3反向多葉箔片氣體徑向軸承</p&

11、gt;<p>　　圖4第三代波箔型動壓氣體軸承</p><p>　　1982年，Heshmat H，Shapiro W和Gray S對圖1所示的單葉波箔軸承和圖2所示的三葉波箔軸承分別進行了試驗研究。這種變剛度梯度的三葉波箔軸承獲得了120 000 r／min的轉速，每一葉均形成各自的收斂楔，體現(xiàn)出極好的運轉穩(wěn)定性能。單葉軸承(軸承直徑D為43．7 mm，軸承長度 為34．9 mm)平箔片和波箔片接

12、觸面均鍍銅，獲得了轉速為68 000 r／min時533．8 N的承載能力，箔片表面鍍銅增加了箔片相對運動的庫侖摩擦作用，保證了軸承高速高載荷下的穩(wěn)定性 。1994年．，Heshmat H設計出如圖3所示的結構軸承并在室溫環(huán)境中進行試驗研究，獲得了132 000 r／min的在當時具有劃時代意義的最高轉速，承載力為727．8 N，軸承溫度為4O℃，氣膜的最高溫度值為175℃。該種結構改善了軸承的剛度和阻尼特性，這種變剛度梯度結構顯示出很

13、好的運轉穩(wěn)定特性 。2000年，DellaCorte C和Lukaszewicz V等在溫度為25一650℃、載荷為l0—50 kPa的范圍對</p><p>　　如圖1所示的典型波箔片軸承進行啟、停性能試驗研究，箔片表面不鍍耐熱合金材料，而在軸頸表面采用等離子噴涂一層高性能的復合鍍層材料</p><p>　　P3O4(P304包含NiCr、Cr203、Ag、BaF2和CaF2等成分)，軸

14、承在650℃下實現(xiàn)了連續(xù)啟停100 000次，試驗結果表明，P304可有效提高箔片軸承的摩擦性能，并較好解決高溫運行問題 引。Kevin Radii和Samuel'Howard等于20O2年對圖4所示的第三代波箔片軸承進行了半徑間隙對軸承承載能力的影響試驗，軸頸表面噴涂P304耐磨復合材料，結果表明半徑間隙對軸承承載能力產生很大影響，同時，第三代波箔軸承具有自身承載能力最高的最優(yōu)半徑間隙值，當軸承半徑間隙低于其最優(yōu)值時，軸承會產

15、生高的預載荷、低承載能力并將出現(xiàn)熱失效現(xiàn)象。相反，當軸承在高于其最優(yōu)半徑間隙下工作時，軸承出現(xiàn)低預載，最大承載能力降低大約20％ 。2004年，Malcolm K Stanford和DellaCorte C對圖1所示的波箔軸承進行了摩擦磨損試驗研究，對平箔片表面鍍Cu一1A1涂層，軸頸表面等離子噴鍍P304材料在25℃和650℃環(huán)境下進行啟、停試驗，結果表明cu一1 Al涂層有利于阻止平箔片在高溫下的磨損，體現(xiàn)出穩(wěn)定的摩擦性能 。<

16、;/p><p>　　國外波箔型徑向軸承的理論研究進展。</p><p>　　1975年，英國學者Walowit J A和Anno J N首次從理論上分析了如圖1所示的單層一體的波箔型軸承，考慮波箔和軸承殼體之間的摩擦而忽略波箔片和平箔片之間的摩擦，分別建立波箔片和平箔片彈性彎曲變形模型，得出耦合箔片變形的氣膜厚度方程，將氣膜厚度方程代人一維Reynolds方程求得相應的靜特性解析解，第一次從理

17、論上得到許多以往剛性表面軸承所沒有而波箔軸承所特有的優(yōu)良特性。1977年，Koepsel采用向前迭代法(Forward Iteration Method)首次將箔片軸承問題當成一個彈性流體動力潤滑(EHDL)問題，用有限差分法求解了軸承特性 J。1983年，Heshmat H對如圖2所示軸承結構進行了理論分析，假設平箔片隨著波箔片變形而變形，將波箔片視為線性變形，首次引入箔片變形系數O／，給出了耦合箔片線性變形的氣膜厚度表達式，運用有限

18、差分法耦合求解Reynolds方程和氣膜厚度方程組得到軸承靜特性，采用小擾動法得到軸承的動特性。1992年，Roger Ku C P和Heshmat Hu副綜合考慮波箔與軸承殼體或平箔之間的摩擦作用力、局部相互作用力、變載荷分布及波箔的幾何</p><p>　　W=β（LD）(DΩ)</p><p>　　式中：w為穩(wěn)態(tài)時最大載荷；β為軸承載荷系數；L為軸承長度；D為軸頸直徑；Ω為轉速。&l

19、t;/p><p>　　該經驗公式對波箔型箔片軸承的設計和特性預估能夠起到一定的指導作用。2001年，Mohsen Salehi和Erik Swanson等通過“庫愛特近似”(Couette approximation)，假設與流體移動應變相比，壓力梯度對流體剪切作用的影響可忽略不計，這樣使能量方程在計算溫度場時大為簡化，可實現(xiàn)能量方程Reynolds方程非耦合求解，得到波箔型徑向氣體軸承的熱力學特性，這為箔片軸承在一

20、定的工況范圍內分析溫度效應提供了一種合理處理方法。2004年，Pengz—cKhonafi M N在既考慮氣體可壓縮性并假設等溫情況下建立了波箔軸承的理論分析模型，另外假設轉軸軸頸總是沿著箔片變形量最大的方向移動，偏心距和偏位角的大小由氣膜壓力分布最大值點的位置確定，同時給出了耦合箔片變形的 膜厚度迭代表達式，通過有限差分法將可壓縮Reynolds方程與氣膜厚度方程耦合求解，分析波箔軸承的靜特性，這種處理箔片變形和軸頸移動的全新思想方法

21、值得參考和進一步完善。2006年，Peng z—C和Khonsar M N在其2004年工作基礎上考慮溫度場對軸承動力學特性的影響，近似地處理Reynolds方程</p><p><b>　　3總結部分</b></p><p>　?。北疚乃岢龅挠嬎惴椒ㄖ灰缶幹坪喍痰牡绦?可以使研究人員擺脫復雜而費時的程序設計工作,把主要精力集中在所求解問題的模型建立(例如確定

22、求解區(qū)域、邊界條件及偏微分方程系數) 上,而不必在問題的求解過程及計算結果的顯示上花費大量的時間,這些工作都可以交給MATLAB 及其PDE 工具箱去成。</p><p>　?。?在計算過程中,適當取定求解區(qū)域上的網格尺寸和收斂標準,可以達到需要的計算精度。</p><p>　?。?在工程領域中,很多問題都可以用偏微分方程進行描述,例如熱傳導、流體動力學、電磁學、結構力學等。本文所提出的計

23、算方法的思想不僅可以應用于其他類型軸承的性能計算中,也可以推廣應用于其他類型偏微分方程問題的求解中。</p><p>　　４盡管MATLAB 的PDE 工具箱只提供了針對標準偏微分方程的求解功能, 但本文的方法體現(xiàn)了MATLAB PDE 工具箱的柔性,并使其解決科學和工程問題的能力得到了加強。</p><p>　　波箔型動壓氣體軸承技術是多學科交叉的綜合研究課題，它涉及到氣體動力學、材料學

24、、傳熱學、制造工藝學、摩擦學等。該種軸承對我國宇航、精密加工及低溫工程等領域的發(fā)展具有重要地位，體現(xiàn)出巨大的發(fā)展?jié)摿徒洕饬x。提高波箔型氣體軸承的承載能力和高速穩(wěn)定性，開發(fā)出一種能滿足要求的新型波箔結構氣體軸承，仍將是人們一直關注的熱點。</p><p><b>　　4參考文獻</b></p><p>　　溫詩鑄,黃平. 摩擦學原理[M]．北京：清華大學出

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