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先进箔片气体动压轴承技术及其工程应用(精)/21世纪先进制造技术丛书

先进箔片气体动压轴承技术及其工程应用(精)/21世纪先进制造技术丛书

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2星价¥132.7 定价¥168.0
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  • ISBN:9787030720115
  • 装帧:一般胶版纸
  • 册数:暂无
  • 重量:暂无
  • 开本:16开
  • 页数:328
  • 出版时间:2022-04-01
  • 条形码:9787030720115 ; 978-7-03-072011-5

内容简介

本书汇集了箔片气体动压轴承研究的近期新进展及作者在该领域的研究成果,系统阐述气体动压润滑理论和箔片气体动压轴承建模及性能分析方法,重点介绍箔片气体动压轴承的加工工艺和试验测试技术,讨论箔片气体动压轴承转子系统的动力学性能匹配和性能分析方法,并从工程的角度介绍该种轴承在动力装备领域的应用,全面反映箔片气体动压轴承的研究现状和发展趋势。 本书可供机械工程专业的研究生学习,也可供从事轴承设计与装备研制的相关研究人员和工程技术人员参考。

目录

目录
“21世纪先进制造技术丛书”序
前言
第1章 绪论1
1.1 生活中的气体悬浮1
1.2 气体悬浮的数学解释2
1.3 箔片气体动压轴承技术4
1.4 轴承技术与能源动力装备7
参考文献8
第2章 气体动压润滑基础理论9
2.1 箔片气体动压径向轴承润滑方程9
2.2 箔片气体动压推力轴承润滑方程12
2.3 气体可压缩性对轴承性能的影响15
2.4 箔片气体动压轴承能量方程16
参考文献20
第3章 箔片气体动压轴承设计准则、制造工艺及测试标准21
3.1 箔片气体动压轴承结构简介21
3.2 箔片气体动压轴承设计准则23
3.2.1 箔片气体动压径向轴承设计准则23
3.2.2 箔片气体动压推力轴承设计准则26
3.3 箔片气体动压轴承制造工艺26
3.3.1 箔片材料的选择27
3.3.2 顶箔和波箔的加工制造及装配28
3.4 箔片气体动压径向轴承性能测试30
3.5 箔片气体动压推力轴承性能测试32
参考文献33
第4章 弹性箔片结构建模分析与试验35
4.1 连杆-弹簧模型36
4.1.1 连杆-弹簧模型建模方法36
4.1.2 无滑移运动波箔模型41
4.1.3 顶箔建模方法43
4.1.4 验证模型44
4.2 考虑动态摩擦力的箔片气体动压轴承结构建模45
4.2.1 LuGre动态摩擦力模型46
4.2.2 动态连杆-弹簧模型47
4.2.3 动态模型验证49
4.2.4 轴承支承结构动态特性预测49
4.3 箔片气体动压轴承静态特性测试52
4.3.1 静态特性测试方法52
4.3.2 静态特性测试结果54
4.4 箔片气体动压轴承动态性能测试56
4.4.1 动态特性测试方法56
4.4.2 动态特性测试结果58
参考文献59
第5章 箔片气体动压轴承性能计算61
5.1 箔片气体动压径向轴承静态特性求解及分析61
5.1.1 箔片气体动压径向轴承静态特性求解61
5.1.2 箔片气体动压径向轴承静态特性分析65
5.2 箔片气体动压径向轴承动态特性求解及分析71
5.2.1 箔片气体动压径向轴承动态特性求解71
5.2.2 箔片气体动压径向轴承动态特性分析76
5.3 箔片气体动压径向轴承的热弹流润滑特性研究83
5.3.1 润滑气膜的稳态非等温雷诺方程和能量方程83
5.3.2 润滑气膜的边界条件86
5.3.3 模型验证92
5.3.4 环境温度对轴承承载力的影响96
5.4 箔片气体动压推力轴承静态特性求解及分析99
5.4.1 静态特性计算99
5.4.2 工作参数对轴承静态性能的影响102
5.4.3 转子推力盘倾斜对轴承静态性能的影响104
5.5 箔片气体动压推力轴承动态特性求解及分析108
5.6 箔片气体动压推力轴承的热弹流润滑特性研究111
5.6.1 气膜非等温雷诺方程和能量方程111
5.6.2 气膜速度场112
5.6.3 固体传热方程113
5.6.4 润滑气体入口区温度边界条件116
5.6.5 箔片气体动压推力轴承的热特性分析117
参考文献121
第6章 高阻尼箔片气体动压轴承性能分析123
6.1 高阻尼箔片气体动压轴承的结构设计123
6.2 弹性支承结构的理论模型及试验验证125
6.2.1 弹性支承结构的理论模型125
6.2.2 弹性支承结构的试验验证133
6.3 高阻尼箔片气体动压轴承静态特性分析135
6.4 轴承动态系数计算结果及试验验证143
6.5 非线性理论模型及结果分析147
6.5.1 非线性理论模型147
6.5.2 非线性特性计算结果与分析149
6.6 高阻尼箔片气体动压轴承温度特性研究153
6.6.1 轴承传热模型153
6.6.2 测试轴承和温度测试试验台159
6.6.3 轴承温度分布的理论预测和试验结果分析162
参考文献168
第7章 叠片型箔片气体动压轴承性能分析169
7.1 叠片型箔片气体动压径向轴承结构介绍169
7.2 叠片型箔片气体动压径向轴承的箔片刚度计算模型171
7.3 叠片型箔片气体动压径向轴承静态特性分析172
7.4 叠片型箔片气体动压径向轴承动态特性分析175
7.5 叠片型箔片气体动压径向轴承温度特性分析179
7.5.1 箔片传热模型179
7.5.2 转子传热模型182
7.5.3 热特性分析结果183
7.6 叠片型箔片气体动压推力轴承结构介绍189
7.7 叠片型箔片气体动压推力轴承的箔片刚度计算模型190
7.8 叠片型箔片气体动压推力轴承静态特性分析192
7.8.1 叠片型箔片气体动压推力轴承静态计算结果192
7.8.2 *小气膜厚度对静态性能的影响193
7.8.3 楔形高度对静态性能的影响194
7.9 叠片型箔片气体动压推力轴承动态特性分析196
7.10 叠片型箔片气体动压推力轴承的热弹流特性分析198
7.10.1 轴承元件传热模型198
7.10.2 叠片型箔片气体动压推力轴承温度特性分析结果201
参考文献206
第8章 箔片气体动压轴承动态特性试验研究208
8.1 箔片气体动压轴承动态特性参数测量方法208
8.1.1 箔片气体动压轴承的等效力学模型208
8.1.2 敲击法基本原理209
8.1.3 双激振法基本原理215
8.2 动态参数测试试验台介绍216
8.3 箔片气体动压轴承动态特性测量218
8.3.1 敲击试验结果分析218
8.3.2 双激振试验结果分析224
参考文献225
第9章 箔片气体动压轴承极限性能试验研究226
9.1 箔片气体动压径向轴承承载试验台226
9.2 箔片气体动压径向轴承承载试验及结果分析228
9.2.1 箔片气体动压径向轴承起飞测试230
9.2.2 箔片气体动压径向轴承承载力测试231
9.2.3 参数化承载试验分析235
9.3 箔片气体动压推力轴承承载试验台237
9.4 箔片气体动压推力轴承承载试验及结果分析239
9.4.1 起飞过程中不同初始载荷试验240
9.4.2 加载载荷对轴承性能的影响242
9.4.3 转子转速对轴承性能的影响243
9.4.4 轴承承载力测试245
9.5 高温承载试验台整体结构设计246
9.5.1 试验台整体布局246
9.5.2 自制高温涂层介绍与性能研究248
9.5.3 试验台润滑与冷却系统设计251
9.5.4 高温试验测试252
参考文献253
第10章 箔片气体动压轴承-转子系统动力学试验与分析254
10.1 箔片气体动压轴承-转子系统动力学试验254
10.1.1 静态推拉试验和轴承名义间隙254
10.1.2 箔片气体动压轴承-转子系统试验台与测试采集系统256
10.1.3 试验结果与分析258
10.2 箔片气体动压轴承-转子系统线性动力学分析264
10.3 箔片气体动压轴承-转子系统非线性动力学分析266
10.3.1 基于刚性气膜假设的轴承非线性承载力模型266
10.3.2 轴承-转子系统自由降速试验仿真结果267
10.3.3 考虑可压缩支承气膜的瞬态承载力求解模型270
10.3.4 轴承-转子系统瞬态计算结果与试验数据对比271
10.4 静载荷和不平衡载荷对转子动力学性能影响的试验研究273
10.4.1 静载荷对转子动力学性能影响的试验研究273
10.4.2 不平衡载荷对转子动力学性能影响的试验研究276
10.4.3 试验数据分析279
10.5 静载荷和不平衡载荷作用下试验数据与理论模型对比283
10.5.1 试验过程与试验数据分析283
10.5.2 静载荷和不平衡载荷作用下瞬态动力学模型计算结果对比284
参考文献287
第11章 高阻尼箔片气体动压轴承-转子系统动力学试验与分析288
11.1 高阻尼箔片气体动压轴承-转子系统动力学试验288
11.1.1 不平衡质量对轴承-转子系统动力学响应的影响289
11.1.2 相对密度对轴承-转子系统动力学响应的影响296
11.1.3 径向间隙对轴承-转子系统动力学响应的影响299
11.1.4 轴承载荷对轴承-转子系统动力学响应的影响301
11.2 高阻尼箔片气体动压轴承-转子系统动力学理论模型303
11.3 轴承-转子系统动力学计算结果和试验数据对比305
参考文献310
第12章 箔片气体动压轴承技术的工程应用311
12.1 箔片气体动压轴承-转子系统的匹配问题311
12.2 箔片气体动压轴承支承无油涡轮增压器的开发313
12.3 箔片气体动压轴承支承高速涡轮设备简介321
参考文献327
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节选

第1章 绪 论 气体悬浮技术因具有高速、高效、高功率密度、耐高温、长寿命的技术特点,已成为引领高端装备技术革新的关键。本章通过生活中几个常见的例子来引入气体悬浮的基本原理和技术难题,着重介绍箔片气体动压轴承的结构特征、工作原理及技术特点,阐述气浮轴承技术对高速能源动力装备发展的引领性作用。 1.1 生活中的气体悬浮 作为物质存在于世界的基本形态之一,气体在我们的生活中无处不在。人类利用气体来悬浮物体的历史源远流长,其基本类型大体上可分为静压悬浮、动压悬浮和挤压悬浮。下面通过生活中常见的三个实例来介绍气体悬浮的基本原理。 实例Ⅰ 商场或游乐场有一种十分受欢迎的双人对战竞赛游戏——“气垫球”,游戏的关键在于球块可以非常顺畅地在桌面上行走、反弹。球块能够无摩擦地在桌面上滑行,是因为在游戏装置中安装了一个气泵,当游戏开始时,气阀就会开启并向桌面提供高压气体,使球块和桌面之间形成一层非常薄的气膜。这种利用外部供给高压气体来悬浮物体的方式,称为气体静压悬浮,桌面上均匀分布的小孔为节流器。 实例Ⅱ 假设在光滑的桌面上以一定的速度推出一张纸,纸张将会以近似无摩擦的状态滑行。这是因为纸张和桌面之间存在相对运动,黏性作用将空气带入纸张和桌面之间的狭小空间,从而形成一层非常薄的空气膜,减少甚至消除了纸张和桌面之间的摩擦,支承纸张向前滑行。而且,可以发现纸张的初始速度越快,越容易形成气膜,悬浮高度越高,滑行距离越远。这种利用两个表面相对运动和气体黏性来形成高压气膜的方式,称为气体动压悬浮。 实例Ⅲ 在平放的音箱表面放置一张纸,纸张会随着声音的发出而振动甚至悬浮起来。如果调大音箱的音频或音量,纸张也将悬浮得更高。这是因为音箱通过其扬声器振膜的高频振动来发声,这种高频振动挤压了扬声器振膜与纸张之间的空气,从而形成高压气膜,将纸张悬浮起来。调大音箱的音频和音量,使得单位时间内挤压空气的次数更多和挤压的行程更大,可提高挤压周期内的平均悬浮力,使得纸张悬浮得更高。这种利用高频挤压空气来悬浮物体的方式,称为气体挤压悬浮。 1.2 气体悬浮的数学解释 气体没有形状,但有体积,是一种可任意压缩和膨胀的流体。雷诺方程[1]是基于流体动力学原理提出的,可用于描述狭小间隙中流体黏性效应的运动方程。雷诺方程可以由流体的运动方程和连续性方程联立推导得到,描述的是在单位微元体内流体在受力平衡、流量平衡和流体连续性约束条件下所表现出来的流动情况[2]。雷诺方程表达式为 (1.1) 式中,为气体的压力;为气体密度;为黏度系数;和为运动面的相对运动速度;H为气膜厚度。 雷诺方程是典型的二阶偏微分方程,以上三种气体悬浮的基本原理解释如下。 1. 静压悬浮 如图1.1所示,当外部供给高压气体时,由于气体的黏性作用,在轴承狭小间隙内会形成具有一定压力分布的气膜,而且气体压力与气膜形状密切相关。 图1.1 气体静压悬浮基本原理 2. 动压悬浮 如图1.2所示,轴承下表面相对于上表面存在相对运动,气体由于黏性作用被带入逐渐变小的楔形空间,被压缩并产生高于环境的气膜压力。 图1.2 气体动压悬浮基本原理 3. 挤压悬浮 雷诺方程中描述的是轴承面法向运动时气体压力的产生情况,即挤压效应。如图1.3所示,当两个轴承面在法向上相对振动时,楔形空间内会形成时变的气体压力,时高时低,但单位周期范围内的平均气压要高于外部环境气压,形成悬浮力。 图1.3 气体挤压悬浮基本原理 气体悬浮技术一直广受研究,应用领域也从*初的制造装备拓展到动力装备、航空航天装备等[3]。然而,由于气体所具有的特殊物理特性,气体悬浮技术在实际使用中会遇到各种各样的困难,主要表现在以下方面: (1)性能求解较为复杂。由于气体是可压缩流体,气体的密度和黏度都会随着压力、温度等参数的变化而发生变化,所以无法通过解析求解经典雷诺方程的方法直接获得表征气体悬浮特性的物理量,尤其是在高压、高速、高温或低温等特殊应用工况中,气体悬浮特性的求解变得极为复杂。 (2)承载力小,阻尼特性差。由于气体的黏度仅为润滑油黏度的1/5000,在相同工况条件下,气体会表现出极小的承载力,需要通过提高供气压力或转速等方式来增大气体的承载力。气体的另外一个重要特征是阻尼特性差,而且频率越高,其所表现出来的阻尼特性越差。因此,在实际使用时,如何提高气体悬浮部件的阻尼特性往往成为研发和设计工作的重点。 (3)固有的自激振动。由于采用可压缩流体作为工作介质,在一些特殊工况下,气体悬浮部件会表现出流体所固有的自激振动现象。静压悬浮技术主要表现为高供气压力和小间隙条件下的“气锤自激”现象,而动压悬浮技术主要是高转速时所表现出来的气膜涡动和气膜振荡。一旦上述两种现象出现,气体悬浮部件的振动将无法控制,直至轴承失效。因此,如何防止自激振动的出现是轴承设计工作的重点和难点。 (4)精度要求高,使用难度大。由于气体的黏度较低,为了得到需要的承载能力和刚度,气体悬浮部件的间隙往往设计得相对较小,表面粗糙度的要求也较高,因此相对其他部件而言,气体悬浮部件加工精度的要求更高,且使用难度更大、成本更高。 (5)难以实现零部件标准化。由于气体的物理特性对工况极为敏感,而且采用气体悬浮技术的装备工况复杂,性能要求更高,因此气体悬浮部件往往需要工程技术人员根据装备的具体需求开展专门性的设计工作。 1.3 箔片气体动压轴承技术 箔片气体动压轴承是一种利用环境气体作为工作介质的自适应柔性动压轴承。当其工作时,转子表面与轴承内表面间会发生高速相对运动,环境中的气体由于黏性作用被带入轴承楔形间隙,利用动压效应形成高压气膜从而支承转子[4]。箔片气体动压轴承可以简单地看成自适应弹性结构和一层动压气体膜组成的串联支承结构。弹性支承结构可以为轴承提供自适应的弹性变形,在一定程度上有利于转子和轴承之间形成楔形动压气膜,并且弹性变形和箔片间的摩擦为轴承提供了刚度和阻尼。箔片气体动压轴承的弹性支承结构种类较多,其中综合性能*好的是弹性支承结构为波箔型箔片气体动压径向轴承。其结构如图1.4所示,是一种在轴和轴承套之间加装类似于“波浪”的弹性箔片,利用空气及箔片的相互作用来提供支承力的动压轴承[5]。这种轴承不但具有较大的承载力和良好的稳定性,而且简单实用。下面以该结构为例,简要说明箔片气体动压轴承的工作原理及工作过程,如图1.5所示。 图1.4 箔片气体动压径向轴承结构示意图[5] 图1.5 箔片气体动压轴承的工作原理及工作过程 1)轴承启动 初始状态下波箔存在一定的预紧力,作为轴承承载面的顶箔与转子表面完全接触。当转子启动后,气体由于黏性作用被转子带入顶箔和转子之间的狭小间隙,气体被压缩并形成具有一定压力的气膜,此时,弹性结构(包括顶箔和波箔)和转子会被高压气膜逐渐分开。 2)完全起浮 当转子达到一定转速时,气膜压力足以支承转子重量,转子完全脱离轴承面,顶箔和转子之间会形成一层稳定的连续高压气膜。 3)轴承加载 如果转子受到外界载荷或冲击,则转子偏离中心位置,此时,气膜厚度发生变化,气体压力分布随之改变,作为支承结构的波箔也相应地发生变形,*终形成新的稳定状态。在外部冲击作用下,波箔和顶箔及轴承套之间会发生摩擦并消耗能量。 4)轴承停止 当转速逐渐降低时,转子带入楔形空间的气体减少,气压下降,弹性结构回弹,直至抱紧转子,使其*终停止。 由于箔片气体动压轴承特殊的结构与工作原理,其表现出如下优点: (1)承载力大。由于弹性支承结构的自适应变形,箔片气体动压轴承容易形成大区域连续的高压气膜,从而获得较大的承载力。 (2)阻尼特性好,稳定性好。轴承动态运行过程中,波箔、顶箔及轴承套之间的相互摩擦将会消耗能量,提供了一定的摩擦阻尼,从而提高轴承的稳定性。 (3)结构紧凑,免维护。箔片气体动压轴承利用气体动压效应来实现悬浮,不需要任何额外的辅助装置,*大程度上简化了系统的复杂程度,使设备更加紧凑。由于不需要润滑系统,箔片气体动压轴承是一种终生免维护的轴承。 (4)加工精度要求低。箔片支承结构的自适应变形能够在一定程度上吸收加工和装配带来的尺寸偏差,降低对部件精度的要求。 (5)高温或低温工况条件下具有良好的工作性能。气体的物理特性较为稳定,因此箔片气体动压轴承表现出良好的高低温工作性能。 (6)摩擦损耗低。气体悬浮是一种完全非接触式的润滑方式,转子基本上处于无摩擦的状态,加之气体本身的黏度低,摩擦损耗小,因此箔片气体动压轴承可大幅提高系统的效率。 虽然箔片气体动压轴承具有很多显著的优点,但是在设计方法、承载力、稳定性以及启停寿命等方面存在关键性难题,阻碍了箔片气体动压轴承技术的进一步发展和产业应用。箔片气体动压轴承技术是目前国际上轴承转子动力学领域的前沿课题,目前还存在以下难题: (1)缺乏精准的轴承理论分析模型与实用的轴承设计规范。一方面,气体的强可压缩性和弹性箔片结构自适应变形,以及两者之间的复杂相互作用,使得轴承表现出复杂的非线性动力学行为。另一方面,轴承的强非线性特性和实际工况下多因素的强耦合性导致箔片气体动压轴承-转子系统的理论分析变得非常困难。

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