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《浅析弹性箔片空气动压轴承的完全气弹润滑解》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在工程资料-天天文库。
1、746中国科学E辑工程科学材料科学2005,35(7):746~760*弹性箔片空气动压轴承的完全气弹润滑解虞烈戚社苗耿海鹏(西安交通大学机械电子及信息系统研究所;西安交通大学现代设计及转子轴承系统教育部重点实验室,西安710049)摘要弹性箔片空气动压轴承被广泛应用于各种透平机械中,然而由于其结构的复杂性,对于这类轴承的建模、静动态性能计算以及相应转子系统动力学分析等理论研究一直处在严重滞后于实验研究的被动局面.通过引入柔性箔片的静、动变形以及联立求解气体润滑Reynolds方程和弹性箔片的静、动变形方程,给出了弹性箔片空气动压轴承的完全气弹润滑耦合解,完全气弹润滑解不仅适用于箔片轴承
2、的静态性能分析,同样也适用于动态刚度和阻尼的计算,从而为弹性箔片空气动压轴承静、动态性能分析和相应转子系统动力学行为预测提供了系统的理论与分析方法.关键词弹性箔片轴承气体润滑动态变形动态刚度动态阻尼经过近半个世纪的努力,弹性箔片空气动压轴承已经在一大类高速旋转机械中得到了成功的应用,例如空气制冷机、辅助能量单元和各种小型透平压缩机组等.在航空领域各种飞机上,都采用了箔片式空气动压轴承来支承高速转子,包括波音747,757,767,DC-10,F-15,F-16以及幻影2000等.新近的调查结果表明,弹性箔片空气动压轴承在新一代集成式高性能透平发动机中也有着广阔的应用前景.今天,箔片式轴承
3、所取得的巨大成功,首先应当归功于20世纪70年代对气体动压轴承结构所进行的划时代的革新——采用自作用柔性箔片表面以取代传统的刚性表面;同时采取耐高温、耐磨损先进材料制作箔片以及在支承结构中引入内磨擦阻尼等一系列措施使得箔片式轴承在提高承载力、扩大转速范围、增加对于高、低温环境的适应性和系统稳定性方面都取得了突破性进展.新一代弹性5箔片空气动压轴承比压最高可达6.89×10Pa,最大转速每分钟可达数十万转,其2004-01-20收稿,2005-04-25收修改稿*国家自然科学基金(批准号:50275116,50475088)和国家863重大项目(批准号:2002AA503020)资助SCI
4、ENCEINCHINASer.EEngineering&MaterialsScience第7期虞烈等:弹性箔片空气动压轴承的完全气弹润滑解7476DN值可达4.61×10mm(r/min),最高工作温度可达800℃.这些都是传统轴承所无法达到的.弹性箔片轴承的优越性能来源于两大因素:一是转子和支承表面间的气膜动压效应;二是箔片轴承的弹性支承效应.但对于箔片轴承静、动态性能研究的困难程度却是出乎意料的:迄今为止,尽管这项无油支承技术在工程中获得了成功的使用,但对于弹性箔片空气动压轴承静、动特性的理论研究仍然处在亟待完善的过程中,正如Radil和Dellacorte等人所总结的那样,对于弹性
5、箔片轴承的性能,特别是动态性能的准确预测一直是束缚弹性箔片轴承发展的障碍,对于这类轴承的建模、性能计算以及系统动力学的理论研究,似乎从一开始就陷入了严重[1~4]滞后于实验的被动局面,现有的绝大多数成功例证都是依赖样机实验得到的.对于弹性箔片空气动压轴承刚度和阻尼的研究,以Heshmat为代表的一批学[5~7]者为此作出了突出的贡献,Heshmat比较全面地分析了在弹性箔片轴承中由于顶层箔片与支承拱、支承拱/底座之间的力、运动关系和由此引起的库仑阻尼.与早先由Walowit和Anno最先提出的理论模型相比,Walowit模型只是考虑了单个拱的作用而忽略了支承拱之间的相互作用力,同时忽略的
6、还包括顶层箔片/支承拱[8]之间的摩擦力.Heshmat模型所作的改进主要有两点:(ⅰ)考虑了支承拱之间的相互作用,(ⅱ)同时计入顶层箔片/支承拱、支承拱/支座之间的摩擦力.在稍后的研究中,Heshmat对于该模型又作了进一步的完善,包括:(ⅰ)对由于载荷所产生的支承拱位移不作人为限制;(ⅱ)考虑了径向箔片轴承的曲面效应;并明确地提出了用结构刚度和结构阻尼来描述弹性箔片轴承支承拱形箔带的动力特性,同[9]时给出了关于结构刚度和结构阻尼的定义和计算方法.按照Heshmat所提出的计算方法和公式,当支承拱箔片上的作用力和扰动幅值均为已知时,可以计算出结构刚度,而由支承拱所产生的结构阻尼则有赖
7、于在干扰力、扰动幅值和频率均为已知值的情况下对转子轴心运动轨迹所形成的迟滞回线或极限圆的计算,这一方法成为目前研究弹性箔片空气动压轴承刚度和阻尼特性普遍认同的经典理论方法.尽管Heshmat模型和Walowit模型有所不同,但两者的出发点却是一致的:把支承箔带先行从整个弹性箔片轴承中分离出来单独处理.现在看来,这种处理方法似乎从一开始就犯了错误:在弹性箔片空气动压轴承中,现行支承拱形箔带的结构都是各向异性的;支承拱箔的刚度和阻尼对于
