气体动压径向轴承性能设计计算【文献综述】

毕业设计开题报告

机械设计制造及其自动化

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。

MATLAB PDE 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第三代波箔型动压气体轴承

1982年，Heshmat H，Shapiro W和Gray S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120 000 r／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43．7 mm，轴承长度为34．9 mm)平箔片和波箔片接触面均镀铜，获得了转速为68 000 r／min时533．8 N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．，Heshmat H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究，获得了132 000 r／min的在当时具有划时代意义的最高转速，承载力为727．8 N，轴承温度为4O℃，气膜的最高温度值为175℃。该种结构改善了轴承的刚度和阻尼特性，这种

变刚度梯度结构显示出很好的运转稳定特性。2000年，DellaCorte C和Lukaszewicz V等在温度为25一650℃、载荷为l0—50 kPa的范围对

如图1所示的典型波箔片轴承进行启、停性能试验研究，箔片表面不镀耐热合金材料，而在轴颈表面采用等离子喷涂一层高性能的复合镀层材料

P3O4(P304包含NiCr、Cr203、Ag、BaF2和CaF2等成分)，轴承在650℃下实现了连续启停100 000次，试验结果表明，P304可有效提高箔片轴承的摩擦性能，并较好解决高温运行问题引。Kevin Radii和Samuel'Howard

等于20O2年对图4所示的第三代波箔片轴承进行了半径间隙对轴承承载能力的影响试验，轴颈表面喷涂P304耐磨复合材料，结果表明半径间隙对轴承承载能力产生很大影响，同时，第三代波箔轴承具有自身承载能力最高的最优半径间隙值，当轴承半径间隙低于其最优值时，轴承会产生高的预载荷、低承载能力并将出现热失效现象。相反，当轴承在高于其最优半径间隙下工作时，轴承出现低预载，最大承载能力降低大约20％。2004年，Malcolm K Stanford和DellaCorte C对图1所示的波箔轴承进行了摩擦磨损试验研究，对平箔片表面镀Cu一1A1涂层，轴颈表面等离子喷镀P304材料在25℃和650℃环境下进行启、停试验，结果表明cu一1 Al涂层有利于阻止平箔片在高温下的磨损，体现出稳定的摩擦性能。

国外波箔型径向轴承的理论研究进展。

1975年，英国学者Walowit J A和Anno J N首次从理论上分析了如图1所示的单层一体的波箔型轴承，考虑波箔和轴承壳体之间的摩擦而忽略波箔片和平箔片之间的摩擦，分别建立波箔片和平箔片弹性弯曲变形模型，得出耦合箔片变形的气膜厚度方程，将气膜厚度方程代人一维Reynolds方程求得相应的静特性解析解，第一次从理论上得到许多以往刚性表面轴承所没有而波箔轴承所特有的优良特性。1977年，Koepsel采用向前迭代法(Forward Iteration Method)首次将箔片轴承问题当成一个弹性流体动力润滑(EHDL)问题，用有限差分法求解了轴承特性 J。1983年，Heshmat H对如图2所示轴承结构进行了理论分析，假设平箔片随着波箔片变形而变形，将波箔片视为线性变形，首次引入箔片变形系数O／，给出了耦合箔片线性变形的气膜厚度表达式，运用有限差分法耦合求解Reynolds 方程和气膜厚度方程组得到轴承静特性，采用小扰动法得到轴承的动特性。1992