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【优博微展】机械院伍奕桦博士:多孔质可倾瓦轴承支承转子系统动力学分析及其实验研究

作者:伍奕桦   来源: 伍奕桦   发布时间:2019-12-17 17:39   点击数:


伍奕桦博士

论文题目:多孔质可倾瓦轴承支承转子系统动力学分析及其实验研究

指导教师:冯凯教授

培养学院:机械与运载工程学院

学科专业:机械工程


学位论文简介

气体润滑静压轴承的优点包括刚度大、精度高、摩擦小、发热量小、无污染,可以适应极端工作条件,广泛应用于半导体工业、航空航天工业、精密测量仪器等领域。近年来,涡轮增压机械、制冷压缩机、鼓风机等机械设备对功率密度的要求日益增高,这就需要转子在更高的转速下运行。对于传统的滚动轴承来说,由于转速的升高轴承磨损严重,从而降低了轴承的寿命。

对于液体润滑轴承来说,由于转速的升高,轴承的摩擦损耗增大,液体温度上升,发热严重。因此,传统的滚动轴承,油润滑轴承都很难满足高转速的工作条件。气体润滑静压轴承是高速旋转机械的一种选择。

目前,气体润滑静压轴承多用于低速重载的工况,对静压轴承在高转速的应用研究较少。传统的径向静压轴承在高转速时,转子在气膜涡动的影响下会产生比较强烈的次同步振动,从而影响径向静压轴承在高转速条件下的应用。

本文在多孔质静压气体轴承的基础上,提出了一种可以改善高速稳定性的新型多孔质可倾瓦轴承。

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研究内容与成果

1)搭建多孔质材料渗透率测量实验台,测量不同密度的多孔质石墨材料的渗透率,分析了渗透率对材料性能的影响。在多孔质材料润滑理论的基础上,结合多孔质瓦块的运动方程,建立了多孔质可倾瓦轴承的解析模型。通过牛顿迭代法和有限差分法实现了多孔质可倾瓦轴承静压特性的求解。采用小扰动法求解获得了多孔质可倾瓦轴承的动态特性。多孔质瓦块的承载能力和气体流量的预测结果与文献中的结果进行对比,验证了理论模型的准确性。分析了多孔质可倾瓦轴承的静压效应和动压效应的作用机理,明确了轴承间隙的合理范围,讨论了轴承间隙、供气压力、瓦块的径向刚度和转动刚度对轴承偏心率、气体流量、动态特性的影响。

2)为了更加准确的预测轴承中转轴中心的运动情况,将轴颈中心的运动方程,瓦块的运动方程和气体流动方程进行耦合并建立了多孔质可倾瓦轴承的非线性模型。讨论了外部供气压力对多孔质可倾瓦轴承稳定性的影响,分析了供气压力,轴承间隙,瓦块的径向刚度、转动刚度和供气方式对轴承非线性特性的影响。研究多孔质可倾瓦轴承的非线性特性,有助于理解轴承供气压力以及轴承参数对轴承工作状态的影响,为运行在不同工况下的多孔质可倾瓦轴承的设计提供理论依据。

3)设计、搭建了多孔质可倾瓦轴承支承的轴承-转子试验台。分析了转子不转动时,轴承供气压力对转子悬浮高度和轴承流量的影响。通过降速实验,讨论了轴承供气压力、供气方式以及不平衡质量对转子系统动态响应特性的影响。

4)建立了多孔质可倾瓦轴承支承转子系统的动力学模型。模型考虑了刚性转子模型,气体在多孔质材料内部与气膜层的流动方程、瓦块的运动方程、转子的运动方程。分析了系统产生次同步振动的原因和影响因素以及转子质量、供气压力、瓦块预载、瓦块安装方式对转子动态响应的影响。

综上所述,本文提出了新型多孔质可倾瓦轴承结构,建立了多孔质可倾瓦轴承的理论模型和轴承的非线性模型。通过理论分析的方法,讨论了轴承参数对多孔质可倾瓦轴承静、动态性能的影响。通过搭建多孔质可倾瓦支承的轴承-转子试验台,验证了多孔质可倾瓦轴承在高速旋转机械领域应用的可行性,分析了转子动态响应特性在不同供气压力,不同不平衡质量条件下的变化情况。建立了多孔质可倾瓦轴承支承转子系统的理论模型,为进一步将多孔质可倾瓦轴承应用到高速旋转机械等气体领域进行了探索。

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主要工作和结论

多孔质径向气体轴承在高转速运行时会产生振动幅值较大的次同步振动,影响轴承的高速稳定性,限制了其在高转速条件下的应用。为了进一步提高多孔质轴承的高速稳定性,本文提出了多孔质可倾瓦轴承结构。以将多孔质可倾瓦轴承应用到高速旋转机械为目标,建立了多孔质可倾瓦轴承的理论模型,研究了轴承的静态特性、动态特性和非线性特性。搭建了多孔质可倾瓦轴承-转子系统动态响应特性实验台,验证了多孔质可倾瓦轴承在高速旋转机械应用的可行性,分析了轴承供气压力和不平衡质量对轴承-转子系统动态响应特性的影响。建立了多孔质可倾瓦轴承-转子系统的动力学模型。

论文对多孔质可倾瓦轴承及其多孔质可倾瓦轴承支承转子系统进行了理论分析和实验研究,主要工作和结论归纳如下:

1)搭建测量多孔质材料渗透率的多孔质材料渗透率测试实验台。通过测量不同供气压力条件下多孔质材料的气体流量计算得到材料的渗透率。当供气压力较小时,由于多孔质材料内部存在不连通的孔隙,多孔质材料的气体流量随供气压力的增大表现为非线性增大。当供气压力较大时,多孔质材料内部的孔隙已经被压缩气体填满,多孔质材料的气体流量随供气压力的增大呈线性增长的趋势。

2)建立多孔质可倾瓦轴承的流固耦合润滑模型。理论模型耦合了多孔质材料内部三维流动模型、轴承气膜层的气体流动模型和多孔质瓦块运动模型,并使用有限差分法和牛顿迭代法对轴承的静态特性进行求解,采用基于小扰动法对多孔质可倾瓦轴承的动态系数进行预测。利用多孔质可倾瓦轴承的理论模型预测了多孔质瓦块的气体流量和承载能力随供气压力变化的情况,将预测结果与文献中的实验结果进行对比,验证了理论模型的准确性。分析了轴承的静态特性和动态特性以及多孔质可倾瓦轴承的润滑机理。通过理论分析发现,当轴颈不转动时,轴承的静压效应产生的效果最强。随着转动速度的增大,轴承的静压效应逐渐减弱,动压效应逐渐增强。当转速较高时,轴承的动压效应发挥主要作用,但是静压效应依然影响轴承的动态性能。随着转速的增高,多孔质可倾瓦轴承的气体流量不断增加,偏心率不断减小,轴承的刚度系数和阻尼系数不断减小。利用理论模型预测了多孔质可倾瓦轴承轴承间隙、供气压力、瓦块径向刚度和瓦块转动刚度对轴承动态特性的影响。随着轴承间隙的减小或轴承供气压力的增大,轴承的气体流量减小,刚度增大,阻尼减小。多孔质可倾瓦轴承的交叉刚度和交叉阻尼系数随瓦块转动刚度的减小而减小,从而可以提高轴承的稳定性。降低瓦块的径向刚度可以减小轴承的交叉刚度和交叉阻尼系数,但是会降低轴承的承载能力。

3)建立多孔质可倾瓦轴承的非线性模型。该模型采用时域轨迹法,耦合了轴颈的运动方程、瓦块的运动方程和气体在多孔质材料内部与气膜层的流动方程。利用多孔质可倾瓦轴承的非线性模型,将多孔质可倾瓦轴承与传统气体可倾瓦轴承进行对比,通过分析发现外部供气压力可以在高转速时抑制轴承产生次同步振动,提升轴承的高速稳定性。分析了供气压力、轴承间隙、瓦块转动刚度、瓦块径向刚度以及瓦块供气方式对多孔质可倾瓦轴承非线性特性的影响。增大轴承的压力或减小轴承间隙,可以增大轴承的刚度,抑制轴承次同步振动的幅值,提升轴承的稳定性。增大瓦块的径向刚度可以减小轴承的次同步振动的幅值,增强轴承的稳定性。增大瓦块的转动刚度会增大轴承次同步的振幅,不利于轴承的稳定性。通过分别改变多孔质可倾瓦轴承的上瓦块和下瓦块的供气压力,分析了上瓦块供气压力变化和下瓦块供气压力变化对轴承性能的影响。当单独增大轴承上瓦块的供气压力时,轴承的次同步振动幅值会降低,轴承的稳定性得到改善。当单独增大轴承下瓦块的供气压力时,轴承的次同步振动也得到了抑制,改善了轴承的稳定性。当增加相同单位的供气压力时,增大轴承上瓦块的供气压力可以获得更好的非线性特性。

4)搭建多孔质可倾瓦轴承-转子系统动力学测试实验台。利用试验台,分析了供气压力和不平衡质量对转子系统动态响应特性的影响。当转子不转动时,多孔质轴承的气体流量随供气压力的增大而增大。当供气压力较低时,气体流量呈非线性增长趋势。当供气压力较大时,气体流量呈线性增长趋势。转子的悬浮高度随供气压力的增大而增大,并分为起浮阶段、快速起浮阶段和悬浮阶段。当同时增大多孔质可倾瓦四个瓦块的供气压力时,轴承竖直方向的刚度会增大,水平方向的阻尼会减小,发生次同步振动的速度范围缩小。当单独增大轴承上瓦块的供气压力时,次同步产生的起始转速提高,次同步振动的转速范围向高转速方向移动。当单独增大下瓦块的供气压力时,轴承竖直方向的刚度减小,轴承水平方向的阻尼减小,次同步振动的转速范围向低转速方向移动。改变系统的不平衡量会影响系统同步振动的幅值和次同步振动的转速范围。

5)建立多孔质可倾瓦轴承支承的轴承-转子系统的转子动力学模型。该模型耦合了刚性转子模型和多孔质可倾瓦轴承的非线性模型。分析了转子系统产生次同步振动的原因,发现偏心率和供气压力对系统的次同步振动有十分重要的影响。通过增大转子的质量和轴承上瓦块的供气压力可以增大偏心率,降低气膜层流体的平均流速,抑制系统次同步振动的产生。分析了转子质量,瓦块预载荷瓦块安装方式对轴承-转子系统动态响应特性的影响。在一定范围内增大转子的质量,可以提升轴承的稳定性。多孔质可倾瓦轴承选用无预载、载荷在瓦块间的安装方式可以使系统获得更好的稳定性。


创新成果

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本文以多孔质可倾瓦轴承和轴承转子系统的设计为立足点,结合工程实际应用需求,针对多孔质可倾瓦轴承以及多孔质可倾瓦轴承-转子系统开展了深入的理论分析和实验研究,所取得的创新成果如下:

1)首次提出了多孔质可倾瓦轴承的流固耦合润滑模型,成功的将多孔质材料内部的气体流动模型与气膜层的气体流动模型进行了耦合,提供了研究此类轴承的理论基础。

2)预测了多孔质可倾瓦轴承的静态特性和动态特性,分析了轴承静压效应和动压效应的作用机制和相互影响的机理。研究了轴承参数对轴承静动态特性的影响为提高轴承设计水平,优化轴承结构创造了条件。

3)建立了多孔质可倾瓦轴承的非线性模型,实现了转子在大偏心、极限状态下的预测方法,扩展了理论模型的应用范围。深入分析了轴承参数对轴承非线性特性的影响,为轴承的参数优化提供了参考。

4)搭建了多孔质可倾瓦轴承-转子系统动态响应特性实验台,并建立了多孔质可倾瓦轴承-转子系统动力学模型。通过实验研究和理论分析,研究了供气压力,不平衡量等轴承参数和转子系统参数对轴承稳定性的影响,为将多孔质可倾瓦轴承的工程应用提供了实验数据和理论方法。


研究展望

本文还有一些需要完善的地方,对今后深入研究内容的展望:

1)本文讨论了在高转速时多孔质可倾瓦轴承供气压力和供气方式对系统稳定性的影响,可以进一步分析轴承供气压力和供气方式的优化方法,建立多孔质可倾瓦轴承供气方式的控制方法。

2)本文建立了多孔质可倾瓦轴承支承的轴承-转子系统测试实验台,转子通过临界转速时振幅伴随较大的振幅,高速时也会产生次同步振动。可以对轴承结构进行优化,改善多孔质可倾瓦轴承的阻尼特性,分析阻尼对系统稳定性的影响。

3)本文建立的轴承-转子系统模型是假设转子为刚性转子。可以建立柔性转子的理论模型,进一步分析由多孔质可倾瓦支承的柔性转子的系统动力学特性。

4)可以将多孔质可倾瓦轴承应用于新燃料电池的空压机系统,针对新燃料电池的复杂工作环境,展开提高多孔质可倾瓦轴承-转子系统稳定性和可靠性的研究。


主要学术成果

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[1]Kai F, Wu Y, Liu W, et al. Theoretical investigation on porous tilting pad bearings considering tilting pad motion and porous material restriction[J]. Precision Engineering, 2018, 53: 26-37.

[2] Wu Y, Feng K, Zhang Y, et al. Nonlinear dynamic analysis of a rotor-bearing system with porous tilting pad bearing support[J]. Nonlinear Dynamics, 2018, 94: 1391-1408.

[3] Feng K, Cao Y, Yu K, Guan HWu Y. Characterization of a controllable stiffness foil bearing with shape memory alloy springs[J]. Tribology International, 2019, 136: 360-371.

[4] 冯凯,黄明,李成勤,吕鹏,伍奕桦,. 径向气体箔片轴承高速重载测试及实验台搭建 [J]. 湖南大学学报 (已接受)

[5] Wu Y, Kai F, Liu W, et al. Nonlinear numerical prediction of a rotor-bearing system using porous tilting pad bearings[C]. The 17th Asian Pacific Vibration Conference, 2017

[6] Wu Y, Kai F, An L, et al. Theoretic investigation on porous tilting pad bearings[C]. 第十二届全国气体润滑、干气密封及微低重力学术会议论文集,2018



图文来源:伍奕桦

图文编辑:兰 芳

图文审核:崔嘉媛 胡品

责任编辑:研究生新媒体中心刘琰