基于MATLAB的高速浮环动静压轴承特性研究

论文摘要

浮环动静压轴承具有承载力高、摩擦功耗低、精度高、稳定性好等优异性能,在高速轴承—转子系统如航天航空、空分、超精密磨床等领域得到越来越广泛的应用。高速浮环轴承的油膜振荡一直是制约转子向高速发展的瓶颈,目前对浮环轴承稳定性仍有待进一步研究。另一方面,轴承内外层油膜厚度均较小,浮环受力变形可能会对油膜厚度造成影响。因此,深入研究浮环动静压轴承静动特性、稳定性及浮环对轴承性能的影响,对于提高高速浮环轴承—转子系统性能至关重要。本文以柱销内反馈径向浮环动静压轴承为研究对象,采用有限元方法建立内外膜静动特性仿真模型,在此基础上推导浮环轴承的稳定性判别方法。为了分析浮环变形对油膜厚度的影响,基于ANSYS求解了不同转速不同偏心下浮环变形情况并与油膜厚度进行了对比。研究的主要内容包括：1.基于MATLAB的浮环动静压轴承静动特性仿真使用MATLAB编制有限元法计算浮环动静压轴承内、外膜压力分布程序,然后计算不同转速、不同偏心率下浮环平衡时的静动特性。2.浮环动静压轴承稳定性分析在刚度、阻尼等动特性数据的基础上,建立判断浮环—轴承系统动力学方程组,通过判断特征方程根的特点,迭代出浮环—轴承系统的临界转速,据以保证所设计的轴承在额定转速下不发生自激振动。3.基于ANSYS的浮环受力分析使用ANSYS建立了浮环的实体模型、划分网格、加载承载力和约束条件,求解得到浮环的应力和应变结果。通过对不同转速、不同偏心率及不同厚度下的浮环仿真结果分析得出,在转速不太高、偏心率低于0.6时浮环的变形量相对于油膜厚度可以忽略不计,将浮环看作刚体进行研究可以满足要求；在转速较高、偏心率较大时,必须考虑浮环的变形量对油膜厚度的影响。研究结果表明,浮环动静压轴承具有承载力高、摩擦功耗低、摩擦力矩小等优点,能有效提高轴承—转子系统的临界转速,适应了高速旋转机械的要求。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 目录
• 符号说明
• 1 绪论
• 1.1 研究意义与背景
• 1.2 浮环动静压轴承研究现状
• 1.3 浮环动静压轴承稳定性研究现状
• 1.4 浮环动静压轴承中浮环的研究现状
• 1.5 本课题的主要内容及意义
• 2 高速浮环动静压轴承静动特性数学模型的建立
• 2.1 浮环动静压轴承数学模型
• 2.1.1 浮环动静压轴承结构
• 2.1.2 基本假设
• 2.1.3 雷诺方程
• 2.1.4 边界条件
• 2.1.5 雷诺方程的无量纲化
• 2.2 浮环动静压轴承静特性计算
• 2.3 浮环动静压轴承稳定工作条件
• 2.4 浮环动静压轴承动特性计算
• 2.4.1 小扰动下的雷诺方程
• 2.4.2 动特性系数求解
• 2.5 本章小结
• 3 浮环动静压轴承稳定性分析
• 3.1 轴承稳定性分析的原理
• 3.2 浮环—轴承系统动力学模型
• 3.3 浮环—轴承系统临界转速计算
• 3.4 R-H准则判断浮环—轴承系统稳定性
• 3.5 本章小结
• 4 基于MATLAB高速浮环动静压轴承特性仿真及分析
• 4.1 高速浮环轴承控制方程的有限元格式和算法实现
• 4.1.1 伽辽金加权余量法原理
• 4.1.2 浮环动静压轴承方程离散
• 4.2 高速浮环动静压轴承结构及工况条件
• 4.3 基于MATLAB的浮环轴承静、动特性分析
• 4.3.1 前处理
• 4.3.2 有限元方程的求解
• 4.3.3 MATLAB程序编制及框图
• 4.3.4 内外膜压力分布计算结果
• 4.3.5 静特性计算结果
• 4.3.6 刚度及阻尼计算结果
• 4.4 高速浮环轴承稳定性计算结果
• 4.5 本章小结
• 5 基于ANSYS浮环动静压轴承中浮环有限元分析
• 5.1 有限元分析原理
• 5.2 ANSYS软件简介
• 5.3 浮环的ANSYS分析
• 5.3.1 ANSYS的基本分析步骤
• 5.3.2 前处理
• 5.3.3 求解
• 5.3.4 后处理
• 5.4 基于ANSYS的浮环特性分析
• 5.4.1 不同转速、偏心率下浮环变形分析
• 5.4.2 不同厚度浮环变形分析
• 5.5 本章小结
• 6 结论与展望
• 6.1 结论
• 6.2 创新点
• 6.3 展望
• 致谢
• 参考文献
• 个人简历、在学期间发表的学术论文与研究成果