考虑摩擦的弹性支承箔片径向轴承的结构刚度分析

合集下载

考虑箔片预变形的波箔型气体轴承数值求解

考虑箔片预变形的波箔型气体轴承数值求解随着科技的进步和工业的发展，对于高速旋转机械的要求也越来越高。

气体轴承作为一种无接触的轴承形式，具有摩擦小、磨损小、寿命长等优点，在高速旋转机械中得到了广泛应用。

然而，在高速旋转机械中，气体轴承会面临一些挑战，例如气膜稳定性、刚度等问题。

为了解决这些问题，研究人员提出了一种新型的气体轴承结构——波箔型气体轴承，并考虑了箔片的预变形。

波箔型气体轴承是一种通过在轴承内部设置波形箔片来实现气体膜稳定性和刚度增强的结构。

箔片的预变形是指在制造过程中对箔片进行一定的变形，以使其在运行时能够达到预期的形状。

通过预变形，箔片可以在轴承运行时提供更好的稳定性和刚度。

因此，考虑箔片的预变形对于波箔型气体轴承的性能具有重要影响。

为了研究波箔型气体轴承的性能，可以利用数值求解的方法进行分析。

数值求解是利用计算机对问题进行离散化处理，通过数值计算得到问题的近似解。

对于波箔型气体轴承来说，可以建立相应的数学模型，并通过数值求解的方法得到其稳态和动态行为。

在建立数学模型时，需要考虑气体流动、箔片变形、气体力学等因素。

通过对气体流动的控制方程进行离散化处理，可以得到离散的方程组。

然后，可以利用迭代或者矩阵求解的方法，求解得到方程组的近似解。

在求解过程中，需要考虑气体流动的边界条件、箔片的预变形等因素。

通过数值求解，可以得到波箔型气体轴承的稳态和动态性能。

稳态性能主要包括气膜厚度、压力分布等参数，而动态性能主要包括刚度、阻尼等参数。

通过对这些参数的分析，可以评估波箔型气体轴承的性能优劣，并优化设计。

在进行数值求解时，还需要考虑一些问题。

首先，数值求解需要进行合理的离散化处理，以保证计算结果的准确性。

其次，数值求解的过程需要考虑计算时间和计算资源的消耗。

因此，需要选择合适的数值方法和计算工具，以提高计算效率。

最后，数值求解的结果需要进行验证和分析，以保证结果的可靠性。

考虑箔片的预变形的波箔型气体轴承数值求解是一种研究高速旋转机械轴承性能的重要方法。

箔片轴承结构阻尼的评价

Abstract: In order to study the dynamic and instability rule and gain a damping evaluation method according to the test result, damping research ways of several foreign and domestic foil bearing types were compared, and the interaction among cells into account was considered based on the approach of separating damping from stiffness. An effective damping evaluation method was developed based on the energy dissipation method. The structural damping of two-layer free plate foil bearing was analyzed on the basis of energy dissipation method. The numerical results show that the effect of structural damping on the stability and dynamic performance of foil bearing is larger at small eccentricity, and smaller at big eccentricity. Keywords: Foil bearings Structural damping Two-layer plate foil Evaluation 箔片轴承运行在高转速、启停干摩擦等环境下，阻尼是影响其稳定性的一个关键因素。一些数学模型和方法（如扰动法、线性化）试图描述箔片气体轴承系统，都因为系统的高度非线性和薄体、弹性支承系统而不是很成功，尤其是在平衡点邻近区域[1]。稳定性问题是气体轴承的关键问题之一，建立合适的理论模型有效地分析箔片轴承的阻尼特性是很重要的。箔片轴承的巨大潜力吸引诸多学者进行各种分析。文献[2]首次详细分析了波箔轴承的静态性能参数，获得了压力和气膜厚度耦合的雷诺方程解，Newton-Raphson 有限差分法被成功地用来处理弹粘空气动力学方程。文献[3~5]使用扰动法获得了箔片气体轴承动态刚度和阻尼系数的表达式，接着详细分析了弹性基础、箔片薄膜和挠度的应力、轴承不对中和底层箔片库仑摩擦力的影响。文献[6]用动态刚度阵分析了箔片气体轴承的流体扰动和滞后阻尼的影响，研究了自激频率和箔片结构阻尼对动态系数的影响。

三瓣式气体箔片径向轴承的静动态特性

中国机械工程第２８卷第１５期２０１７年８月上半月
三瓣式气体箔片径向轴承的静动态特性
冯凯胡小强赵雪源李文俊
湖南大学汽车车身先进设计制造国家重点实验室,长沙,
４１００８２
摘要:针对一种新型三瓣式气体箔片轴承,考虑接触界面库仑摩擦后提出了相应的刚度计算模型,
c
i
t
i
i
f
i
c
an
t
l
spe
c
i
a
l
l
th
i
o
t
o
rspe
ed．Thei
ns
t
a
l
l
a
t
i
onang
l
ee
f
f
e
c
t
i
ngont
hel
oad
ys
gn
ye
ya
ghr
/
,
c
apa
c
i
t
sba
s
edont
hel
awo
fs
i
nec
o
s
i
neru
l
e
s．Wi
t
ht
hei
nc
r
e
a
s
i
ngo
fr
o
t
o
rspe
f
f
e
c
t
so
fr
o
t
o
rspe
ed,l
oad,padp
r
e
l
oadandi
ns
t

考虑波箔变形的波箔型气体箔片轴承润滑性能的数值研究

文章编号：1006-3080(2020)02-0293-08DOI: 10.14135/ki.1006-3080.20190108001考虑波箔变形的波箔型气体箔片轴承润滑性能的数值研究许浩杰1，高磊2，陆俊杰1，安琦1（1. 华东理工大学机械与动力工程学院，上海 200237；2. 长城汽车股份有限公司技术中心，河北保定 071000）摘要：以波箔型气体箔片轴承为研究对象，运用弹性力学理论对波箔的力学性能进行了研究，构建了其受力变形模型，并结合可压缩气体Reynold 方程，构建了一种流固耦合算法。

同时结合具体算例，对比研究了弹性箔片气体轴承和刚性气体轴承的气膜压力分布及气膜厚度分布，发现两者分布形状相似，但弹性箔片气体轴承气膜压力的最大值较小，轴向平分面处的最小气膜厚度较大；偏心率一定时，弹性箔片气体轴承的摩擦力矩小于刚性气体轴承摩擦力矩，且气体端泄流量大于刚性气体轴承，故弹性箔片气体轴承运行时的摩擦力矩较小，发热较小，且散热较快；偏心率一定时，增大波箔厚度（t B ）和减小波箔波距（s ）可减小轴承量纲为一的最小气膜厚度，并减小轴承偏位角，而减小t B 和增大s 时则可减小轴承摩擦力矩，有利于降低摩擦功耗，减少摩擦热，且可增大轴承气体端泄流量，有利于散热。

关键词：箔片轴承；波箔变形；数值计算；润滑性能中图分类号：TH133.35；TH117.2文献标志码：A气体箔片轴承是一种较为新型的轴承，特别适用于高速透平机这类机械[1]，它的结构有多种不同的型式，其中波箔型气体箔片轴承应用最为广泛[2]。

波箔型气体箔片轴承主要由壳体、波箔片（底箔）、平箔片（顶箔）3部分组成[3]，工作过程中，气膜压力的产生将使波箔产生弹性变形，目前在箔片轴承的性能计算中鲜有人对这种弹性变形进行深入的研究。

Walowit 和Anno [4]于1975年首次从理论上分析了波箔型气体箔片轴承的结构，建立了箔片弹性模型，将箔片的弹性系数代入一维雷诺方程，研究了轴承的静态性能。

径向箔片气体轴承静态刚度影响因素试验分析

径向箔片气体轴承静态刚度影响因素试验分析
常海兵;李响;唐茂;左成艺;甘露
【期刊名称】《机电设备》
【年(卷),期】2024(41)2
【摘要】箔片气体轴承的静态刚度直接影响气体轴承工作过程中的稳定性和可靠性。

针对影响径向箔片气体轴承静态刚度的因素进行试验研究,通过对比测试比较不同因素对径向箔片气体轴承静态刚度数值的影响。

试验结果表明:测试位置、底层箔片的厚度、轴承的种类和底层箔片的拱高均对气体轴承的静态刚度有一定的影响。

【总页数】9页(P54-62)
【作者】常海兵;李响;唐茂;左成艺;甘露
【作者单位】中船西南(重庆)装备研究院有限公司
【正文语种】中文
【中图分类】TH133.31
【相关文献】
1.平箔式箔片径向气体轴承的试验研究
2.固定方式对波箔气体轴承箔片结构刚度的影响
3.影响箔片结构阻尼的因素及箔片径向轴承结构形式的进展
4.波箔过渡圆角对箔片气体轴承结构刚度的影响
5.基于波纹箔片刚度试验的气体箔片轴承动力学特性
因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。

结构刚度和阻尼对箔片轴承承载力的影响

结构刚度和阻尼对箔片轴承承载力的影响1崔明现，侯予，王林忠，陈纯正(西安交通大学制冷与低温工程系，西安710049) 摘要：影响箔片轴承广泛应用的一个关键问题是其承载力不足。

结构刚度和阻尼是箔片轴承承载力的主要影响因素。

本文从承载力系数出发，分析了箔片轴承在周向、轴向和径向三个空间方向的结构刚度的变化对箔片轴承承载力的影响。

箔片轴承的阻尼主要表现为库仑摩擦阻尼；阻尼的增大使轴承结构刚度增大，稳定性提高，承载力增大。

本文还以承载力系数为依据，比较了提高箔片轴承承载力的方法。

关键词：箔片轴承，承载力，结构刚度，阻尼1 简介箔片轴承是一种自作用式气体膜动压轴承。

它依靠弹性支承上的柔性轴承表面与主轴之间相对运动而产生的动压气膜压力来支承转子系统。

箔片轴承具有低能耗，高稳定性；轴承的柔性表面对载荷、转子偏心具有很好的自适应性。

由于使用环境气体作为工作流体和润滑剂，不会造成对工质气体的污染；可以摆脱传统油轴承在转速和温度方面的限制，且具有很高的可靠性，不像油轴承一样需要定期维护。

由于气体的粘度极低，动压气体轴承的承载力要比油轴承小得多。

因此，箔片轴承早期多应用于高速轻载的场合。

要把箔片轴承广泛应用于其它高温重载透平机械如燃气透平等则需要解决两个技术难题：（1）如何提高承载力；（2）高温启停润滑性能。

目前，通过对箔片轴承支承结构的改进，箔片轴承已经具有足够的承载力而应用于辅助动力装置,低温透平泵和压缩机系统。

1998年，MiTi公司开发出了承载力达518kg的箔片轴承（L×D＝75×100mm 2,转速22krpm时，静态载荷427.3kg, 动态载荷90.7kg），这是箔片轴承承载力的一个突破；承载力达900kg的箔片轴承正在开发中[1]。

高温固体润滑镀层的研制（如PS304和Korolon1350）成功地解决了箔片轴承的高温启停问题，并且增强了其刚度和阻尼特性，提高了承载力[2]。

弹性支承一体化轴承刚度测量分析与研究

ＡｎａｌｙｓｉｓａｎｄＲｅｓｅａｒｃｈｏｎＳｔｉｆｆｎｅｓｓＭｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｆｏｒＢｅａｒｉｎｇＩｎｔｅｇｒａｔｅｄＷｉｔｈＥｌａｓｔｉｃＳｕｐｐｏｒｔ
ＷＡＮＧＭｉｎｇｊｉｅ１，２，ＬＩＬｉｎｇｘｉａｏ１，２，ＳＨＩＫｅｋｅ１，２，ＱＵＨｏｎｇｌｉ１，２，ＹＡＮＪｉｓｈａｎ１，２
（１．ＬｕｏｙａｎｇＬＹＣＢｅａｒｉｎｇＣｏ．，Ｌｔｄ．，Ｌｕｏｙａｎｇ４７１０３９，Ｃｈｉｎａ；２．ＳｔａｔｅＫｅｙＬａｂｏｒａｔｏｒｙｏｆＡｖｉａｔｉｏｎＰｒｅｃｉｓｉｏｎＢｅａｒｉｎｇｓ，Ｌｕｏｙａｎｇ４７１０３９，Ｃｈｉｎａ）
圈的径向刚度就相对容易，因此，在实际生产过程中，希望通过测量外圈径向刚度来代替整套轴承的径向刚度测量。
１测量存在的问题
某型弹性支承一体化轴承如图１所示，其由双半内圈三点接触球轴承和弹支结构组成。如果将轴承整体进行刚度测试，不仅需要较为复杂的试验机构，测量精度也无法保证。而仅测量轴承外
图２测量装置示意图Ｆｉｇ．２Ｄｉａｇｒａｍｏｆｍｅａｓｕｒｉｎｇｄｅｖｉｃｅ
表１外圈形变测量结果Ｔａｂ．１Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｒｅｓｕｌｔｓｏｆｏｕｔｅｒｒｉｎｇｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ
砝码质量／ｋｇ
０１０．００５２０．０１０３０．０４１４０．０７４５０．０９１
第１次测量０
航空发动机轴承的工作转速高、振动大，因此，普遍使用弹性支承结构并与轴承集成为一体［１－６］。在鼠笼式弹性支承一体化轴承的设计使用中，径向刚度被作为关键参数进行研究［７－９］，准确测量此类轴承的径向刚度成为生产的迫切需求。然而，对于轴承径向刚度的测量方法及所用仪器，在国家及行业标准中均无具体规定；［１０－１１］尤其对于弹性支承一体化轴承，目前行业内还没有专用的轴承整体刚度测量仪，也少有此类研究。

多层弹性支承箔片动压气体径向轴承稳定性的实验研究

ＬＡＩＴｉａｎｗｅｉ，ＭＡＢｉｎ，ＺＨＥＮＧＹｕｅｑｉｎｇ，ＨＯＵＹｕ，ＣＨＥＮＳｈｕａｎｇｔａｏ！
（１．ＳｃｈｏｏｌｏｆＥｎｅｒｇｙａｎｄＰｏｗｅｒＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｘｉ ’ ａｎＪｉａｏｔｏｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｘｉ ’ ａｎ７１００４９。Ｃｈｉｎａ；２．ＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＭｅｃｈａｎｉｃａｌ
第４８卷
第３期
西安交通大学学报
ＪＯＵＲＮＡＬ０ＦＸＩ ’ ＡＮＪＩＡＯＴＯＮＧＵＮＩＶＥＲＳＩＴＹ
Ｖｏ１．４８ＮＯ．３
Ｍａｒ．２Ｏ１４
２０１４年３月
ＤＯＩ：１０．７６５２／Ｘｊｔｕｘｂ２Ｏ１４Ｏ３０１５
ｂｅａｒｉｎｇ．Ｉｎｔｈｉｓｋｉｎｄｏｆｆｏｉｌｂｅａｒｉｎｇ，ｄｏｕｂｌｅｏｒｍｕｌｔｉｌａｙｅｒｓｏｆｐｒｏｔｕｂｅｒａｎｔｆｏｉｌｓｗｉｔｈｐｒｏｊｅｃｔｉｏｎ
ａｒｒａｙａｒｅａｄｏｐｔｅｄａｓｔｈｅｓｕｐｐｏｒｔｉｎｇｓｔｒｕｃｔｕｒｅ，ａｎｄｔｈｅｂｅａｒｉｎｇｓｔｉｆｆｎｅｓｓａｎｄｄａｍｐｉｎｇ
ｃｈａｒａｃｔｔｍｅｎｔｓｃａｎｂｅｒｅａｌｉｚｅｄｔｈｒｏｕｇｈｃｈａｎｇｉｎｇｔｈｅｐｉｔｃｈｏｆｓｐｈｅｒｉｃａｌｃｒｏｗｎｉｎｔｈｅ

弹性支承箔片动压气体径向轴承的实验研究

关键词：气体轴承；动压气体轴承；箔片轴承
中图分类号：Ｔ１７文献标识码：Ａ文章编号：０５０５（００６— ０ — Ｈ１２４— １０２１）０１４
ＥｐｒｍｅｔｌＳｕｙｏｈｍｐｉｎｏｌｏｒａａｎｘｅｉｎａｔｄｎｔｅＣｏｌｔＦｉＪｕｎｌＢｅｒｇａｉ
ｄｎｍｉｔｓｆｔｉｃｍｐｉｎｏｕａｂａｉｇｗｔｌｔｕｐｒｗｒｏｄｃｅ．Ｅｐｒｎａｒｓｌｄｃｔａｙａｃｅｔｏｓｏｌｔｉｊｒｌｅｒｈｅａｉｓｐｏｔｅｅｃｎｕｔｄｘｅｉｔｅｕｔｉｉａｅｔｔｓｈａｆｌｏｎｎｉｓｃｍｅｌｓｎｈ
（ｈｏｉｏｋｇｓｅｄｉａｏｔ００ｍｎｔｅｏｍａｄｍｔ５０ｍｎａｄｔｅｏｒａｓｓ９）ＩＣｔｅｍｎｗｒｉｅｂｕ６４０ｒｉ，ｕｌｉｅｅｉ２．ｌｎｔｓｉ８１．ｔａｎｌａｎｐｓ１／ｈｊａｒｓｈｒｏｍｇｎ
ｔｅＣＦｐｅｅｔｄｈｒｆｅｒｆｒｂｅｓｓｅｄｎｍｉｎｔｉｔｅｆｒｎｃｎａｄｑａｅｄｐｎｏｅｆｃｉｅｙｈＢｒｓｎｅｅｅｏｒｐｅｅａｌｙｔｍｙａｃａｄｓａｌｙｐｒｏｍａｅａｄｈａｅｕｔａｉｇｔｆｔｌｓｂｉｓｍｅｖｒｄｃｈｏｓｂｌｙｏｅｆｅｃｔｄａｄｆａｔｏａｒｑｅｃｉ１Ｉａｅｃｎｒｄｔａｅａｐｉａｉｎｏｈｓｔｐｆｅｕｅｔｅｐｓｉｉｉｆｓｌ－ｘｉｎｒｃｉｎｆｅｕｎｙｗｈｒ．ｔｃｎｂｏｆｍｅｔｔｐｌｔｆｔｉｙｅｏｔｅｌｉｈｈｃｏ

波箔过渡圆角对箔片气体轴承结构刚度的影响

波箔过渡圆角对箔片气体轴承结构刚度的影响禹峰哲; 冯明; 刘国权; 李贤男; 任天明【期刊名称】《《哈尔滨工业大学学报》》【年(卷),期】2020(052)001【总页数】7页(P14-20)【关键词】箔片气体轴承; 波箔; 过渡圆角; 弹性变形; 结构刚度【作者】禹峰哲; 冯明; 刘国权; 李贤男; 任天明【作者单位】北京科技大学机械工程学院北京100083; 平壤出版印刷综合大学机械工程学院平壤999093【正文语种】中文【中图分类】TH133.37空气箔片轴承是一种采用柔性支撑，以空气为润滑剂的自作用式动压气体轴承. 一系列波拱不仅提供弹性支撑，还提供阻尼. 在波箔制造过程中，波拱与波拱的连接桥会形成一个过渡圆角. 由载荷产生的弯矩也作用在过渡圆角，该弯矩有利于波拱的变形. 因此，过渡圆角对空气箔片轴承的刚度有影响. 关于箔片几何结构对箔片轴承性能的影响，Walowit [1]和Heshmat [2-3]等进行了大量的实验和理论研究，提出了波箔结构的弹性模型，并研究了箔片轴承的稳态特性，但没有考虑顶层箔片与壳体以及波箔的摩擦力. 1999年，Iordanoff[4]考虑波箔与平箔间的接触摩擦作用，建立了波拱一端固定，一端自由以及两端都自由的刚度计算模型. 2003年，Carpino等[5]将结构阻尼设为黏性阻尼，开发了一种有限元模型，解释了库仑摩擦对箔片轴承性能的影响. 2007年，Lez 等[6]使用有限元软件进行了更精确的数值分析，考虑了箔片与壳体之间以及波箔与顶层箔片之间的摩擦力，研究了箔片结构的静态和动态特性，但没有考虑波拱结构的影响. 2010年，Feng等[7]认为波箔的波拱可简化为两个刚性连接件和一个水平间隔开的弹簧. 但所提出的模型忽略了波拱的切向位移，高估了波拱柔性. Peng等[8]将波箔结构模拟为弹簧和阻尼器，研究了波拱之间的相互作用，但忽略了顶层箔片和波箔之间的摩擦. Ku等[9]考虑了波箔与壳体或顶层箔片之间的摩擦力和各波拱之间的相互作用，开发了柔性箔片轴承的综合分析模型. 该模型还考虑了可变载荷分布，摩擦力和波拱几何形状等对轴承刚度的影响，但没有考虑过渡圆角的作用. 2008年，Hryniewicz等[10]的数值模型考虑了在任意压力载荷下波箔和顶层箔片之间的相互作用、波拱之间的相互作用以及波箔与壳体间的摩擦力. 在其模型中，通过定义3种不同的边界约束条件来分析波拱的偏转，并将结果与之前的有限元结果进行比较. 但该模型忽略了波拱和顶层箔片之间局部摩擦和过渡圆角的影响. 2014年，Abdelrasoul等[11]在箔片气体推力轴承的静态分析中，考虑到波拱之间的连接桥可能会发生横向偏移并与轴承壳体表面分离的情况，构建了考虑每个波拱弯矩的模型，提出更符合现实情况的边界条件. 2016年，Lehn等[12]首次进行具有过渡圆角的波拱的研究. 模拟了一个厚度的二维壳体，包括顶层箔片、波箔和过渡圆角，并为箔片气体推力轴承提供完全耦合的弹性气体动力学模型. 此外，还讨论了摩擦力、接触的影响以及不同波拱相互作用机制. 但没有具体提到过渡圆角本身对整个箔片轴承刚度的影响.本文研究有过渡圆角的波拱结构的刚度特性. 基于弹性变形理论，考虑了波箔与壳体或顶层箔片之间的摩擦力以及各波拱之间的相互作用，构建有过渡圆角的波拱的弯矩方程组，推导出箔片变形公式. 通过与既有的箔片模型进行比较，验证本模型的有效性，结果表明，箔片轴承的刚度特性研究不应忽略过渡圆角的作用.1 理论分析1.1 波拱的几何结构由于箔片轴承的制造工艺，波箔片的两个波拱间的连接桥会产生一个过渡圆角，但这个过渡圆角在很多理论模型中常常被忽略. 图1为一个平行于xy平面的具有过渡圆角的波拱结构.点O是波拱的圆心，Or是过渡圆圆心，点C是过渡圆角半径Rr和波拱半径RB 之间的相切点. θB0和LB0分别是无过渡圆角的波拱弧角和波拱连接板长度，θB 和LB分别是具有过渡圆角的波拱弧角和波拱连接板长度，hB是波拱高度，l是波拱半波长度，s是波拱单元长度.图1 具有过渡圆角的波拱结构Fig.1 Geometry of a single bump foil with rounding波拱弧角θB有如下关系：波拱半波长l和波拱连接板LB可表示为l=(RB+Rr)sin θB,LB=LB0-2·[(RB+Rr)sin θB-RBsin θB0].因此，具有过渡圆角的波拱的几何尺寸完全可由RB、θB0、LB0和Rr决定. 波拱高度hB被视为相关参数(它可以由RB、Rr和θB来确定). 当Rr→0时，模型变为无过渡圆角的波拱模型，因此，无过渡圆角的波拱模型是一种特殊形式.1.2 波拱的结构模型图2是波箔在任意压力负载下的变形情况. 波箔的左端固定，其右端可以在x方向(水平方向)和y方向(垂直方向)上自由移动，现假设顶层箔片紧贴在波箔的波拱顶部，设Wi为作用在第i个波拱顶部中心单位长度上的垂直载荷，y方向的局部挠度是δWi. δWi取决于波拱和壳体之间的滑动摩擦因数μ以及波拱和顶层箔片之间的滑动摩擦因数η，箔片将在载荷Wi的作用下向自由端滑动.图2 分布静载荷下箔片的变形情况Fig.2 Deflection of bump foil strip under static load本文作如下假设：1)顶层箔片紧贴波箔片的运动，但不会影响波拱变形;2)两个波拱间的连接桥不会偏离壳体表面;3)箔片的变形都是弹性的，且不会发生永久变形;4)过渡圆角半径Rr 与波拱半径RB之间的相切点C位于两个中心的直线上;5)过渡圆角变形时，忽略过渡圆角与壳体的接触效应; 在图3中，波箔模型分为4个部分：两个波拱弧角(②、③)和两个过渡圆角(①、④).图3 第i个波拱的受力分析Fig.3 Force analysis of the i-th bump in the bump foil stripFLi和FRi分别是第i个波拱左、右两端处所受的支座反力；HLi和HRi分别是第i 个波拱左、右两端受到的切向力. 第i个波拱的右端处的力平衡条件为PRi=HRi-μFRi.(1 )PRi是从第i+1个波拱左端通过连接桥传递到第i个波拱右端的作用力. 同时，在第i个波拱的右端，还有从i+1个到N个波拱的阻碍第i个波拱滑动的作用力：为确定第i个波拱的运动状态，需要对比传递力PRi和抵抗力TRi，这与Hryniewicz、 Wodtke、Olszewski等[10]的方法类似.第i个波拱的每个组成部分的任意θ单位宽度上所受的弯矩为M1i(θ)=-FRiRrsin θ+HRiRr(1-cos θ)，0<θ≤θB；(2 )M2i(θ)=-FRi[(RB+Rr)sin θB-RBsin θ]+HRi[Rr(1-cos θB)+RB(cos θ-cos θB)]，0<θ≤θB；(3 )M3i(θ)=-FRi[(RB+Rr)sin θB-RBsin θ]+HRi[Rr+RBcos θ-(RB+Rr)cos θB]-WiRBsin θ-ηWiRB(1-cos θ)，-θB≤θ≤0；(4 )M4i(θ)=-FRi[2(RB+Rr)sin θB-Rrsin θ]-ηWi[RB+Rrcos θB-(RB+Rr)c os θB]+Wi[(RB+Rr)sin θB-Rrsin θ]+HRiRr(1-cos θ)，0<θ≤θB.(5 )式中：θB是第i个波拱的顶部中心点和C点形成的弧角. 由于波箔片厚度t与波拱半径RB相比非常小，波拱可以看作一个薄的弯曲梁. 当RB/t>10时，可以忽略法向力和剪切力，由此产生的误差通常<1%，很少超过5%[13]. 本文的RB/t的比值为186.7. 因此，拉伸和剪切力的应变忽略不计，弹性应变能表示为[14-15]第i个波拱的抗弯刚度D可定义如下：D=Et3/(12(1-ν2)).式中：E是箔片的弹性模量，t和ν分别是箔片的厚度和泊松比.设δi是由作用力HRi和FRi引起的弹性挠度，根据卡斯蒂利亚诺的第二定理，可得δHi=δVi=如果假设第i个波拱的右端被固定，则由边界条件(δHi=0，δVi =0)得到下列矩阵方程：(6)式中：系数D1～D6仅是θB的函数. 式(6)中的HRi、FRi解出后，代入式(1)获得PRi. 为了判定第i个波拱的运动状态，需比较抵抗力TRi和传递力PRi的大小，判定如下：如果PRi≥TRi，则第i个波拱的右端向右移动，则传递力为PRi=TRi;如果PRi< TRi，第i个波拱的右端被固定，则传递力PRi保持为PRi=HRi-μFRi.通过上述两个条件，第i个波拱所受的弯矩方程(2)～(5)可由PRi和FRi表示M1i(θ)=-FRiRr sin θ+PRiRr(1-cos θ)+μFRiRr(1-cos θ),0<θ≤θB;( 7 )M2i(θ)=-FRi[(RB+Rr)sin θB-RBsin θ]+PRi[Rr+RBcos θ-(RB+Rr)cos θB]+μFRi[Rr+RBcos θ-(RB+Rr)cos θB],0<θ≤θB;( 8 )M3i(θ)=-FRi[(RB+Rr)sin θB-RB sin θ]+PRi[Rr+RB cos θ-(RB+Rr)cos θB]+μFRi[Rr+RBcos θ-(RB+Rr)cos θB]-WiRB sin θ-ηWiRB(1-cos θ),-θB≤θ≤0;( 9 )M4i(θ)=-FRi[2(RB+Rr)sin θB-Rrsin θ]+PRiRr(1-cos θ)+μFRiRr(1-cos θ)+Wi[(RB+Rr)sin θB-Rrs in θ]-ηWi[RB+Rrcos θB-(RB+Rr)cos θB],0<θ≤θB.(10 )FRi可以通过边界条件(δVi=0)和方程(7)～(10)求解:FRi=-(D8PRi+D9Wi)/D7.式中D7～D9为系数.一旦确定了第i个波拱右端的PRi和FRi，根据卡斯蒂利亚诺第二定理得到波拱的顶点挠度：(11)将弯矩方程组代入式(11)得δWi=(D10FRi+D11PRi+D12Wi)/DL.( 12 )式中，D10～D12为系数. 第i个波拱的刚度可以定义为(13 )根据式(12)和(13)可以得到每个波拱的变形和刚度. 数值求解流程如图4所示.图4 波拱模型的流程Fig.4 Flow chart of the bump foil model2 仿真结果及分析2.1 模型验证为了验证本文理论模型的有效性，轴承的几何参数选择与文献(Lez等[6]，Feng和Kaneko[7]，Hryniewicz等[10]和Abdelrasoul[11])中的模型参数相同，如表1所示. 其中波拱数为10. 不同载荷下波拱变形情况见图5.表1 轴承结构参数Tab.1 Geometrical parameters of the bearingtt/ mmtB/ mmL/ mmRB/ mmhB/ mmRr/ mm0.1020.10238.13.360.5080～2S/ mml/mmμηvE/ GPa4.571.910.10.10.29214(a)均布载荷(b)递增载荷(c)递减载荷(d)递增-递减载荷图5 不同载荷下波拱的变形Fig.5 Bumps deflection under various load distributions2.2 过渡圆角的影响为详细分析每个波拱的刚度特性，采用具有26个波拱的波箔模型，由于递增递减载荷分布最接近箔片实际受力，图6给出了此载荷下波拱的刚度分布情况. 刚度相同的波拱所在的区域为固定区，刚度变化的波拱所在的区域为滑移区. 从图6中可看出，固定区波拱刚度明显高于滑移区波拱刚度. 固定区的波拱数量越多，则波箔的刚度越大. 在滑移区，波拱刚度先快速下降后逐渐趋于平缓. 在4种载荷作用下，自由端的波拱刚度几乎相同.图6 在不同载荷下带有过渡圆角波拱的刚度Fig.6 Bumps stiffness with rounding radius under various loads过渡圆角的引入，改变了波箔与轴承壳的接触面积，同时影响波拱的受力和各个波拱之间的传递力. 固定区的波拱数量从大到小依次是递增载荷、均布载荷、递增-递减载荷和递减载荷，如图7所示. 随着过渡圆角半径的增大，4种载荷下固定区波拱的数量呈不同等级的阶梯状减少，其中递增载荷、均布载荷、递增-递减载荷和递减载荷下波拱数量分别呈二级、二级、一级、四级阶梯状减少. 这说明过渡圆角半径的增大会使波拱更容易滑动. 这是因为过渡圆角半径的增大，导致波拱与波拱之间的连接板越来越短，波拱与轴承壁的摩擦接触面积越来越少.图7 不同过渡圆角半径的固定区波拱数量Fig.7 Number of pinned-down bumps with various rounding radius递增-递减载荷下不同过渡圆角半径的波拱刚度分布情况见图8. 随着过渡圆角半径的增大，固定区波拱刚度先增大后减小，存在一个使波拱刚度达到最大的过渡圆角半径；滑移区首端波拱刚度逐渐减小，末端波拱刚度基本不变，这是因为末端波拱接近波箔的自由端，其刚度受过渡圆角半径影响小.图8 不同过渡圆角半径的波拱刚度Fig.8 Bumps stiffness with various rounding radius图9分析了不同过渡圆角半径的波箔平均刚度分布情况. 随着过渡圆角半径的增大，波箔平均刚度先增大后减小. 对比图9和图8可看出，固定区波拱刚度达到最大所对应的过渡圆角半径与波箔平均刚度达到最大所对应的过渡圆角半径非常接近.图9 不同过渡圆角半径的波箔平均刚度Fig.9 Mean stiffness of bump foil with various rounding radius2.3 摩擦因数的影响摩擦因数μ=0.300，η=0.300时的波拱刚度分布情况如图10所示，对比图6可看出，因为固定区波拱受力时，波拱两端受到的是静摩擦力，随着摩擦因数的增大，固定区的同一过渡圆角的波拱刚度值基本不变，但波拱数量增加；滑移区主要受滑动摩擦力影响，随摩擦因数增大，其波拱数量减少，且滑移区波拱刚度有不同程度的增加，越靠近自由端，刚度受摩擦影响越小.图10 摩擦因数μ=η=0.3时波拱的刚度Fig.10 Bumps stiffness with friction coefficient μ=η=0.3综上所述，波箔平均刚度随着摩擦因数的增大呈现非线性增大，如图11所示. 摩擦因数和过渡圆角半径通过改变固定区波拱的刚度和数量以及滑移区波拱刚度来影响波箔的刚度. 这说明过渡圆角半径和摩擦因数这两个参数的不同组合，可以建立具有不同阻尼和刚度的箔片轴承.图11 不同摩擦因数的波箔平均刚度Fig.11 Mean stiffness of bump foil with various friction coefficients2.4 波箔结构刚度的各向异性由于波箔气体轴承在实际应用中所受外载荷方向具有很大的随机性，造成气膜力在波箔结构上的分布形式也并不相同，故本文通过改变载荷峰值距固定端的距离模拟不同角度下的受载情况，以研究波箔结构刚度的各向异性. 摩擦因数μ=η=0.075时,不同承载力峰值角度下各个箔拱的刚度变化情况如图12(a)所示，可以看出,波箔结构刚度存在较强的各向异性，载荷峰值越靠近固定端，会导致越多的波拱向自由端产生滑移，即使固定区箔拱数量减少，从而降低整体刚度；反之，最大气膜力越靠近自由端，整体刚度越大. 图12(b)为摩擦因数μ=η=0.150时的波箔结构刚度特性，可以看出，最大气膜力加载角度在200°之前的刚度曲线重合，说明增大摩擦因数可有效改善波箔气体轴承结构刚度的各向异性. 图13(a)和(b)分别为过渡圆角半径Rr为0和2 mm时的波箔结构刚度特性曲线，二者分别在最大载荷加载角度160°和80°处开始出现箔拱滑移，说明随过渡圆角半径增大，滑移区箔拱数增多使得各向异性增强，但影响程度不如摩擦因数剧烈. 可看出，增大摩擦因数和减小过渡圆角半径可为改善波箔气体轴承各向异性提供一定的思路.(a)μ=η=0.075，Rr=0(b)μ=η=0.150，Rr=0图12 不同摩擦因数下加载角度对波拱刚度影响Fig.12 Effect of loading angle on the bump stiffness under various friction coefficients(a)μ=η=0.100，Rr=0(b)μ=η=0.100，Rr=2 mm图13 不同圆角半径下加载角度对波拱刚度影响Fig.13 Effect of loading angle on the bump stiffness under various rounding radius3 结论1)在4种载荷条件下，随着过渡圆角半径的增大，固定区波拱的数量呈阶梯状减少.2)随着过渡圆角半径的增大，固定区波拱的刚度先增大后减小，滑移区波拱的刚度逐渐减小，同时存在一个使波箔平均刚度达到最大的过渡圆角半径.3)圆角半径一定条件下，固定区波拱数量随摩擦系数的增大而增多，波箔结构平均刚度呈非线性增大，有效降低了各向异性；摩擦因数一定条件下，过渡圆角半径的增大使各向异性增强，但影响程度不如摩擦因数大.参考文献【相关文献】[1] WALOWIT J A, ANNO J N. Modern development of lubrication mechanics[M]. London: Applied Science Publishers. 1975[2] HESHMAT H, WALOWIT J A, PINKUS O. Analysis of gas lubricated foil journal bearings [J]. Journal of Lubrication Technology, 1983, 105(4):647[3] HESHMAT H, WALOWIT J A, PINKUS O. Analysis of gas lubricated compliant thrust bearings [J]. Journal of Lubrication Technology, 1983, 105(4):638[4] IORDANOFF. Analysis of an aerodynamic compliant foil thrust bearing: method for a rapid design [J]. Journal of Tribology, 1999, 121(4):816[5] CARPINO M, TALMAGE G. A fully coupled finite element formulation for elastically supported foil journal bearings [J]. Tribology Transactions, 2003,46(4):560[6] LEZ S L, ARGHIR M, FRENE J. Static and dynamic characterization of a bump-type foil bearing structure [J]. Journal of Tribology, 2007, 129(1):75[7] FENG K, KANEKO S. Analytical model of bump-type foil bearings using a link-spring structure and a finite-element shell model [J]. Journal of Tribology, 2010, 132(2):021706. [8] PENG J P, CARPINO M. Coulomb friction damping effects in elastically supported gas foil bearings [J]. Tribology Transactions, 1994, 37(1):91[9] KU C P, HESHMAT H. Compliant foil bearing structural stiffness analysis: part I: theoretical model including strip and variable bump foil geometry [J]. Journal of Tribology, 1992, 114: 394[10]HRYNIEWICZ P, WODTKE M, OLSZEWSKI A, et al. Structural properties of foil bearings:a closed-form solution validated with finite element analysis [J]. Tribology Transactions, 2008, 52(4): 435[11]ABDELRASOUL M, KANEKO S. A new structural stiffness model for bump-type foil bearings: application to generation II gas lubricated foil thrust bearing [J]. Journal of Tribology, 2014, 136(4):216[12]LEHN A, MAHNER M, SCHWEIZER B. Elasto-gas dynamic modeling of air foil thrust bearings with a two-dimensional shell model for top and bump foil [J]. Tribology International, 2016, 100:48[13]BORESI A P, SCHMIDT R J. Advanced mechanics of materials, 6th edition[M]. New York: John Wiley, 2003[14]TIMOSHENKO S, GOODIER J N. Theory of Elasticity[M]. 2nd edition. New York: McGraw-Hill Book Company, 1951.[15]BEER F P, JOHOSTON E R, DEWOLF J T. Mechanics of Materials, 6th edition[M]. New York: McGraw-Hill Book Company, 2008。

具有粘弹性结构的箔片动压气体轴承[实用新型专利]

专利名称：具有粘弹性结构的箔片动压气体轴承专利类型：实用新型专利
发明人：周权,陈汝刚,侯予
申请号：CN201220716664.4
申请日：20121222
公开号：CN203082018U
公开日：
20130724
专利内容由知识产权出版社提供
摘要：本实用新型公开了一种具有粘弹性结构的箔片动压气体轴承，包括轴承座和固定在轴承座上的若干个瓦块，瓦块上覆盖有箔片元件；箔片元件的顶层为具有光滑表面的金属平箔片，中间层为粘弹性箔片，底层是为轴承提供结构刚度和结构阻尼的金属箔片。

底层箔片对转子的轴向支承力通过粘弹性箔片传递给顶层箔片，能够显著改善泡状突起（或波纹突起）处的应力集中状况，一方面明显提高顶层箔片和底层箔片运行可靠性，另一方面，也能提高箔片动压气体轴承的承载力。

本实用新型提供的具有粘弹性结构的箔片动压气体轴承，粘弹性箔片能够有效吸收转子-轴承系统运行时振动和冲击，抑制转子振幅的增大，从而大大提升高速旋转机械的运行稳定性。

申请人：西安建筑科技大学
地址：710055 陕西省西安市雁塔路13号
国籍：CN
代理机构：西安通大专利代理有限责任公司
代理人：汪人和
更多信息请下载全文后查看。

波箔轴承结构刚度的计算

崔明现侯予王林忠陈纯正
（西安交通大学制冷与低温工程系陕西西安７０４）１９０
摘要：考虑波箔轴承中波箔与接触面问摩擦力的影响，得出了计算波箔局部结构刚度的简化公式，并分析ｌ影响波『＿箔轴承结构刚度的参数。结果表明：波箔局部刚度并不相等，而是从固定端到自由端逐渐减小；波箔轴承结构刚度随波箔弹性模量、波纹厚度、非固定端波纹高度和接触面摩擦因数的增大而增大；随波纹半长度和节距的减小而增大；且节距对结构刚度的影响比其它参数要大。
ｃｅｓｓｗｔｅｄｃｅｓｆｕａｆｅｇｈａｄｐｔ．ｈｎｕｎｅｏｕｉｈｉｍｏｅｐｏｎｎｅｔａｔｅａａｒａｅｉｔｅｒａｅｏｍｐｈｌｌｎｔｎｉｈＴｅｉｆｅｃｆｍｐｐｔｒｒｍｉｅｃｎｏｈｒｒｍ— ｈｈｂｃｌｂｃｓｈｐ
图１（）所示，由柔性平箔和支承平箔的波箔组成，ａ
由波箔变形产生的结构刚度。波箔轴承设计的一个关
键问题是结构刚度与气膜刚度的匹配：若结构刚度过大，则相当于刚性表面轴承，不能有效抑制气膜振
荡，体现不出波箔轴承的优势；若刚度过小，则易产生较大的变形，降低承载力和稳定性，甚至会使气膜破坏而导致轴承失效。在已有的波箔轴承结构刚度计算和静、பைடு நூலகம்态特性
关键词：波箔轴承；结构刚度；摩擦中圈分类号：Ｔ３．５文献标识码：Ａ文章编号：０５０５（０６Ｈ１３３２４— １０２０）５— ５３０７—

波箔式空气轴承箔片支承结构分析的研究进展

波箔式空气轴承箔片支承结构分析的研究进展刘文琰;夏新沛;陈巍;何平;郭宝亭【摘要】As the special part of air foil bearings,top foil and bump-type foil strip have a high impact on the performance of foil bearings. The progress of researches on calculations of stiffness made by domestic and foreign scholars was summarized, illustrates that how the effect of friction and stiffness distribution on the property of foil bearing was illustrated and the theory basis for trends in foil structure design was pointed out. The deformation of top foil which is used to be ignored was investigated.%箔片结构作为箔片气体轴承的特殊组成部分,对轴承性能的影响很大.总结国内外学者对箔片结构刚度的研究情况以及库仑摩擦、刚度分布影响箔片结构性能的机制,指出箔片轴承结构发展趋势的理论依据.对一直被忽略的平箔变形问题进行阐述和相应的机制分析.【期刊名称】《润滑与密封》【年(卷),期】2011(036)010【总页数】6页(P102-106,114)【关键词】箔片式空气轴承;箔片结构刚度;摩擦;刚度分布;平箔变形【作者】刘文琰;夏新沛;陈巍;何平;郭宝亭【作者单位】中国科学院工程热物理研究所,北京,100190;中国科学院研究生院,北京,100190;中国科学院工程热物理研究所,北京,100190;中国科学院研究生院,北京,100190;中国科学院工程热物理研究所,北京,100190;中国科学院工程热物理研究所,北京,100190;中国科学院研究生院,北京,100190;中国科学院工程热物理研究所,北京,100190【正文语种】中文【中图分类】TH133.35箔片气体轴承是一种利用空气作为润滑介质的滑动轴承。

固定方式对波箔气体轴承箔片结构刚度的影响

固定方式对波箔气体轴承箔片结构刚度的影响谢仕龙;马希直;刘享承【摘要】In order to expose the effect of fixed type on structural stiffnessof foil,a beam element model was established to analyze the strained condition of foil under considering frictions,and the static stiffness along the circumferential direc⁃tion of the bearing was calculated accurately. Several commonly used materials were selected to produce foils, and a foil static stiffness testing rig was designed to analyze the effect of various fixation forms of foil on its static stiffness.The test re⁃sults were compared with the calculation results of established model. It is found that the fixed types of foils influence its structural stiffness significantly,and the structural stiffness of foils with C fixed type is bigger than L fixed type.The results of analysis model agree with experimental results,and can provide guidance for bump⁃type bearing design and processing.%为研究固定方式对波箔气体轴承箔片结构刚度的影响，通过对箔片建立考虑摩擦情况下的梁单元受力分析模型，精确计算沿轴承周向不同位置处箔片的静刚度。

【CN109708892A】一种箔片动压空气径向轴承的动态刚度和动态阻尼测试台【专利】

(19)中华人民共和国国家知识产权局(12)发明专利申请(10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 201910119176.1(22)申请日 2019.02.18(71)申请人佛山特博科技有限公司地址 528303 广东省佛山市顺德区容桂德胜居委会桥东路8号三座一楼(72)发明人胡斌　陈颖秀　(74)专利代理机构广州嘉权专利商标事务所有限公司 44205代理人左恒峰(51)Int.Cl.G01M 13/045(2019.01)(54)发明名称一种箔片动压空气径向轴承的动态刚度和动态阻尼测试台(57)摘要本发明公开了一种箔片动压空气径向轴承的动态刚度和动态阻尼测试台，本测试台通过分析不同静态载荷、不同激振力、不同转速条件下测量得到的轴承的位移和载荷，从而获得对应条件下轴承的动态刚度和动态阻尼，解决了目前市面上轴承性能测试台只测量轴承静态刚度的问题，提高转子动力学理论设计的准确性，降低了由箔片动压空气轴承支承的整机设计难度，很好地节省了研发成本和研制周期。

权利要求书1页说明书2页附图3页CN 109708892 A 2019.05.03C N 109708892A1.一种箔片动压空气径向轴承的动态刚度和动态阻尼测试台，其特征在于，包括实验台电主轴(1)、套于实验台电主轴(1)上的径向实验轴承座(2)、位于径向实验轴承座(2)前的静态载荷加载装置(3)、位于径向实验轴承座(2)两侧的动态载荷加载装置(4)；所述径向实验轴承座(2)上装有电涡流位移传感器(5)，静态载荷加载装置(3)末端装有拉压力传感器(6)。

2.根据权利要求1所述的一种箔片动压空气径向轴承的动态刚度和动态阻尼测试台，其特征在于，所述径向实验轴承座(2)中部设有用于实验台电主轴(1)穿过的通孔(21)，所述径向实验轴承座(2)上部对称设有安装凹位(22)，所述径向实验轴承座(2)上部外圆面上开有与静态载荷加载装置(3)、动态载荷加载装置(4)配合的固定孔(23)。