弹性薄片动压气体轴承的理论和试验研究

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1、博士学位论文弹性薄片动压气体轴承的理论和试验研究THEORETICALANDEXPERIMENTALRESEARCHOFGASFOILBEARING朱建军哈尔滨工业大学2015年6月国内图书分类号：TH133.37学校代码：10213国际图书分类号：621密级：公开工学博士学位论文弹性薄片动压气体轴承的理论和试验研究博士研究生：朱建军导师：李兵教授副导师：杜建军副教授申请学位：工学博士学科：机械电子工程所在单位：深圳研究生院答辩日期：2015年6月授予学位单位：哈尔滨工业大学ClassifiedIndex:TH133.37U.D.C:621Dissertationfort

2、heDoctoralDegreeinEngineeringTHEORETICALANDEXPERIMENTALRESEARCHOFGASFOILBEARINGCandidate：JianjunZhuSupervisor：Prof.BingLiCo-supervisor:AssociateProf.JianjunDuAcademicDegreeAppliedfor：DoctorofEngineeringSpeciality：MechatronicsEngineeringAffiliation：ShenzhenGraduateSchoolDateofDefence：June,

3、2015Degree-Conferring-Institution：HarbinInstituteofTechnology摘要摘要薄片轴承是一种采用弹性元件作为支承的自作用式动压气体轴承，与传统的刚性和滚珠轴承相比，具有转速高、无污染、摩擦功耗低、寿命长、工作温度范围宽、稳定性好和自适应性强等诸多优点，在低温制冷、航空航天以及国防等领域具有重要的应用价值和广泛的发展前景。本文针对传统的线接触计算模型不能很好地预测悬臂型径向薄片轴承承载能力的问题，建立了一套基于面接触假设的力学计算模型，分析了面接触对轴承承载机理的作用规律，并设计和搭建试验台进行了试验研究。同时，对波箔型止

4、推薄片轴承进行了理论和试验研究，揭示了影响轴承性能的关键影响因素。根据径向薄片轴承结构特点，将搭接薄片简化为悬臂弯曲梁，推导了薄片的几何搭接关系和单个薄片的变形计算公式；建立了完整的搭接薄片面接触计算模型，给出了面接触下薄片变形满足的约束条件，推导了气膜作用力和薄片间作用力间的关系式，构建了薄片支承结构的整体刚度矩阵，给出了整个薄片支承结构的变形计算式；采用加权余量法和有限元法建立求解气膜压力分布的计算模型，搭建了基于面接触模型的求解轴承静态特性的气弹耦合计算流程和框架；采用小扰动法，推导了薄片变形与气膜厚度及压力分布关系式，结合有限差分法对Reynolds方程进行离散化

5、处理，得到了方程求解的差分格式以及轴承动态刚度和阻尼系数的计算公式。利用上述建立的面接触模型，编程计算了轴承的静动态特性，通过将仿真结果与已发表文献中试验结果进行比较，验证了面接触模型以及数值计算方法的正确性，并分析研究了薄片厚度、展角、安装角、长径比和单边间隙等结构参数以及转速和偏心率等对轴承性能的影响规律，揭示了面接触对轴承承载性能的作用机理，指出了搭接薄片间面接触的发生有利于提高轴承承载性能。根据波箔型止推薄片轴承结构特点，基于弹性薄板模型和Heshmat模型，分别建立了顶层薄片和支承波箔的刚度矩阵，将两者融合到一起得到了止推轴承薄片支承结构的整体刚度矩阵；综合考虑

6、支承结构参数、斜坡形状、波箔一致性误差以及薄片变形，建立了轴承气膜厚度方程，采用与径向轴承相同的方法对圆柱坐标系下的Reynolds方程进行简化和离散化处理，搭建了轴承气弹耦合计算流程和框架，得到了静动态特性的计算公式。利用建立的止推薄片轴承的理论计算方法，编程计算了轴承的静动态特性，分析研究了支承结构参数、斜坡形状、波箔一致性误差以及运行参数对轴承静动特性的影响规律，并以承载力为目标函数对轴承的支承结构参数进行了-I-哈尔滨工业大学工学博士学位论文初步的优化处理。在理论分析和仿真计算的基础上，设计径向薄片轴承和止推薄片轴承的试验方案，完成了径向和止推轴承试验台结构设计、

7、径向和止推轴承试验件的设计加工以及测试系统的设计，进行了轴承静态加卸载试验以及高速运行试验，分析研究了轴承结构及运行参数对轴承承载力及摩擦力矩的影响规律，为后续进一步优化轴承参数以及改善轴承性能提供参考和借鉴。论文建立的面接触计算模型以及开发的数值求解算法和流程，能够更好地预测轴承承载性能，完善了悬臂型径向薄片轴承的理论分析体系，有利于促进该型轴承的进一步发展和应用；对波箔型止推薄片轴承中关键因素对轴承静动特性的影响规律的深入研究，有助于更好的改善和提高波箔型止推薄片轴承的性能。关键词：径向薄片轴承；面接触；静动特性；止推薄片