气体动压径向轴承性能设计计算文献综述

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1、文献综述气体动压径向轴承性能设计计算1前言部分气体轴承是一种理想的支承元件。与滚动轴承及油润滑滑动轴承相比,气体轴承具有速度高、精度高、功耗低和寿命长四大优点,同时,它打开了常规支承所长期回避的一些润滑禁区,应用范围越来越广。气体润滑的主要特征表现为气体的可压缩性,因此可压缩流体Reynolds方程是气体轴承性能计算的基本方程,这个非线性偏微分方程仅对于特殊的间隙形状才可能求得解析解,而对于一般的气体润滑问题,无法用解析方法求得精确解。在气体轴承的性能计算中,通常使用近似解法或数值解法。数值解法所得到的计算结果与实验结果更为接近,所以被广泛采用。最常

2、用的数值方法是有限差分法、有限元法和边界元。数值方法虽然是求解气体轴承性能的有效途径,但是这些算法本身都是相当复杂的,而计算程序的编制和调试过程又是非常耗时的。因此寻求一种简单、高效的气体轴承性能计算方法,无疑具有重要的工程意义。MATLAB的PDE工具箱为这种方法提供了可能。MATLABPDE工具箱在许多学科中得到有效的应用,但这些应用大多局限于在图形用户界面中对符合PDE工具箱要求的标准形式的偏微分方程进行直接求解,对于非标准形式的复杂偏微分方程,这种方法是无能为力的。本课题研究如何通过数学变换,将描述动压气体润滑的可压缩流体Reynolds方程

3、变换成标准的椭圆型偏微分方程形式,进而以MATLAB的PDE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。2主题部分润滑理论及选型经典的弹流理论考虑了固体表在流体动压作用下的弹性变形、润滑剂的粘度和可压缩性，其预测的油膜厚度不能满意地解释为什么牵引力的数值是随着滚动速度或滑动速度变化的。而边界润滑状态和薄膜润滑状态两种新理论的提出为这一问题的解决奠定了基础，但这种润滑状态尚未被完全认知，其计算方法和模型尚在研究中，是目前摩擦学研究的主要问题。近年来多相流体润滑研究更加丰富和发展润滑理论，为润滑系统滤清设计、固体添加剂设计以及润滑

4、与磨损研究相结合提供了重要的理论指导。润滑选型设计一般从润滑剂类型选择和润滑方式两方面入手：润滑剂应根据其粘度来确定；常用的润滑方式有滴油、浴油、溅油、强迫润滑等，根据摩擦副的运动速度来确定。早在1854年，法国人G.A.伊恩就提出过用气体作润滑剂的设想。1896年第一个空气轴承问世。1913年英国人W.J.哈里森发表气体润滑轴承流体动力学分析的论文。50年代以来，气体轴承的应用逐步扩大，并受到广泛和深入的研究。国内波箔型径向轴承的研究进展我国对波箔型动压气体轴承的研究相对较晚，20世纪90年代初，上海理工大学、中国航空工业第609所等曾对波箔型和悬

5、臂型箔片轴承进行过初步研究。2006年，杨利花、石建华和刘恒等建立试验台对起飞转速、承载能力及其动特性等进行了试验研究，采用摩擦力矩法和径向位移响应频谱法判定轴承的起飞转速，这标志着我国在波箔型气体轴承的试验研究方面迈出了重要一步。2004和2005年，虞烈、戚社苗等引入柔性箔片的动静变形，将轴承动态刚度和动态阻尼的计算归结为对动态Reynolds方程和柔性支承结构动态弹性变形方程联立求解，在线性范围内为波箔型轴承支承的转子系统动力学分析提供了一种方法。2006年，崔明现、候予等在波箔变形为弹性小变形、沿宽度方向变形相等的假设条件下，考虑波箔与接触面

6、之间的摩擦作用力，建立波箔片力学模型进行理论分析，得出计算波箔局部机构刚度的简化公式并分析了影响波箔轴承结构刚度的参数，可为轴承设计提供一定的指导作用。耿海鹏、戚社苗等引入辅助分析部件和利用刚体与柔性体间的多步非线性接触算法求解大预紧多叶径向轴承中的预紧变形和非线性接触行为，将Reynolds方程和非线性的接触求解过程耦合起来迭代求解，得到大预紧效应的多叶箔片轴承静态承载性能，对进一步优化设计波箔型轴承具有重要意义。国外波箔型径向轴承的试验研究进展图1第一代波箔型动压气体径向轴承图2三叶波箔型动压气体轴承图3反向多叶箔片气体径向轴承图4第三代波箔型动

7、压气体轴承1982年，HeshmatH，ShapiroW和GrayS对图1所示的单叶波箔轴承和图2所示的三叶波箔轴承分别进行了试验研究。这种变刚度梯度的三叶波箔轴承获得了120000r／min的转速，每一叶均形成各自的收敛楔，体现出极好的运转稳定性能。单叶轴承(轴承直径D为43．7mm，轴承长度为34．9mm)平箔片和波箔片接触面均镀铜，获得了转速为68000r／min时533．8N的承载能力，箔片表面镀铜增加了箔片相对运动的库仑摩擦作用，保证了轴承高速高载荷下的稳定性。1994年．，HeshmatH设计出如图3所示的结构轴承并在室温环境中进行试验研

8、究，获得了132000r／min的在当时具有划时代意义的最高转速，承载力为727．8N，轴承温度为4O℃，气