箔片结构对箔片气体轴承性能影响的分析

论文摘要

自从1969年被Garrett AiResearch应用于飞机空气循环装置上,箔片气体轴承已经发展了四代,轴承的承载力和稳定性都有了大幅提高。但到目前为止,箔片轴承发展的三大难题,即高承载力；良好的高温启停特性；可靠的、可控的设计方法和设计准则,仍然没有得到有效地解决。国内在箔片轴承研究中还较为落后,根本原因还是对轴承本身的动力学机理不清楚。本文针对箔片气体轴承特有的箔片结构进行分析,研究箔片结构如何影响轴承性能的以及不同代箔片轴承进化的原因。主要内容如下：(1)本文对箔片结构的变形进行了相关计算,考虑了波箔波纹间的相互作用、箔片结构间的库仑摩擦、波箔波纹曲面变形等因素,最终得到了波箔波纹的径向刚度公式以及平箔的变形公式。(2)本文对影响平箔和波箔变形的因素进行了分析。包括箔片结构的几何参数、选用材料以及波箔结构的分布形态。研究表明,可以通过改变以上三种参数让箔片结构的刚度分布更加均匀,刚度更大。(3)本文建立了等温条件下考虑平箔和波箔变形、箔片结构内库仑摩擦和波箔波纹间相互作用的模型,通过将气膜厚度方程和等温气体Reynolds方程耦合,利用MATLAB软件编程计算。采用承载力和姿态角作为评价轴承承载性能和稳定性的参数。计算表明,本文采用模型的计算结果与NASA试验结果符合的较好。(4)本文对箔片结构对轴承性能的影响情况进行了分析。研究表明,箔片结构的刚度越大,刚度分布越均匀对于箔片轴承的承载力和稳定性越有好处。箔片结构分布的改变,对于扩大动压气膜内部高压区的范围,以及减弱端泄效应有着非常大的作用。依据本文的结论,对箔片轴承结构进行优化,其优化效果非常明显。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 目录
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.2 波箔式箔片气体轴承发展趋势
• 1.2.1 第一代箔片气体轴承
• 1.2.2 第二代箔片气体轴承
• 1.2.3 第三代箔片气体轴承
• 1.2.4 第四代箔片气体轴承
• 1.3 国内外的研究现状
• 1.4 本文的主要工作
• 第二章 弹性箔片气体轴承分析的理论基础
• 2.1 动压效应的基本原理
• 2.1.1 楔形效应
• 2.1.2 箔片轴承内的楔形气膜
• 2.2 可压缩流体动压润滑理论及数学模型
• 2.2.1 气体润滑Reynolds方程及边界条件
• 2.2.2 气膜厚度方程
• 2.3 箔片气体轴承静态性能计算
• 2.3.1 承载力w
• 2.3.2 转子运行稳定性和姿态角（幅角）β
• 2.3.3 摩擦力矩
• 2.3.4 气膜流量
• 2.4 箔片结构的弹性变形的求解
• 2.4.1 薄板弯曲的基本假设
• 2.4.2 薄板弯曲的几何方程和物理方程
• 2.4.3 薄板的弯矩和扭矩
• 2.5 本章小结
• 第三章 箔片结构的变形分析
• 3.1 箔片支承结构变形分析
• 3.1.1 箔片结构数值分析的难点
• 3.2 波箔结构的径向变形分析
• 3.2.1 波箔结构的受力分析
• i及切向形变vⁱ'>3.2.2 径向变形ωⁱ及切向形变vⁱ
• Lⁱ与S_Rⁱ之间关系'>3.2.3 支承拱左右两端滑动位移S_Lⁱ与S_Rⁱ之间关系
• 3.2.4 支承拱箔径向变形与载荷之间的矩阵表达式
• 3.3 顶层平箔的变形分析
• 3.4 箔片结构的径向变形的因素分析
• 3.4.1 几何形状对波箔结构刚度的影响
• 3.4.2 材料因素对波箔径向刚度的影响
• 3.4.3 箔片结构分布形态的影响
• 3.4.4 平箔结构变形的因素分析
• 3.5 本章小结
• 第四章 箔片结构对轴承性能的影响分析
• 4.1 箔片气体轴承压力分布的模拟计算
• 4.1.1 气膜厚度的公式
• 4.1.2 箔片轴承性能分析的计算
• 4.2 箔片结构参数对轴承性能的影响分析
• 4.2.1 箔片结构的几何尺寸对轴承性能的影响
• 4.2.2 材料因素对轴承性能的影响
• 4.2.3 箔片结构分布形态对轴承性能的影响
• 4.2.4 箔片气体轴承性能参数分析的总结
• 4.3 箔片结构设计的优化
• 4.4 本章小结
• 第五章 结论和展望
• 5.1 本文的主要结论
• 5.2 工作展望
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间的研究成果
• 致谢