气体静压轴承—转子耦合系统的承载特性研究

The aerostatic bearing is one of the most important members of supporting technologies for the green science. With the popularization of its application, the existing studying methods are not enough for calculating the bearing capacity and researching the system stability. Firstly, as the bearing clearance and air pressure is too large, the characteristic of gas film is very complex. The inertial force of gas film and shock wave should be considered in the study on air flow. Currently, most studies in this field focus on the aerostatic bearing with simple structure. For the more complex high speed journal bearing, the studies in this field involve very little. Secondly, for the aerostatic bearing-rotor system, the real coupled system model has not been built. The root of the problem is that the nonlinear response of the rotor can not timely feedback to the flow field. The error in the study of the rotor’s nonlinear responses is therefore too big to research the motional stability for the whole system. This project considers the influences of the inertial force and shock wave, constructs the three-dimensional N-S equations for the gas film flow field, establishes the function for the gas film thickness related to the nonlinear responses of rotor, and builds the coupled model for the aerostatic bearing-rotor system. With the consideration of external load, the studies are carried out on motional stability for the integrated aerostatic bearing-rotor system. All the above researches can provide the theoretical basis for designing and manufacturing the new type aerostatic bearing with high load capacity and high motional stability.

气体静压轴承是绿色科学支承技术的重要成员，随着其应用的日益推广，现有的研究方法难以满足高承载力及高稳定性支承技术的需求。首先，当轴承间隙及供气压力过大时，其气膜特性表现得很复杂，需要考虑气膜惯性力和激波的影响，目前这方面的研究只针对较为简单的轴承结构，对于具有承载要求的气膜特性更为复杂的高速径向轴承，则很少涉及；其次，对气体静压轴承—转子整体系统来说，还未能建立真正的耦合模型，其根源在于转子的非线性振动响应不能及时反馈到气膜流场的变化上，这就导致整体系统振动响应的计算结果误差较大，不利于运动稳定性的研究。综上所述，本项目考虑轴承径向间隙内的惯性力及激波的影响，建立三维气膜流场N—S方程，构建与转子振动响应相关的气膜厚度关系式，建立气体静压轴承—柔性转子整体系统耦合模型，并对整体系统进行外载条件下的运动稳定性分析。研究结果可为进一步研制新型高承载力及高稳定性的气体静压轴承提供理论依据。

气体静压轴承由于精度高、无污染、环保节能，被运用于国民工业的各个领域，本项目采用数值分析、解析研究、实验验证的方式，考虑轴承结构、偏心率、入口压强等方面的影响，对气体静压轴承的流场特性、承载特性及结构优化进行系统研究。.利用层流模式、湍流模式以及大涡模式对气体轴承内部流场变化特性进行系统分析，发现转速对气体静压轴承流场及承载特性的影响不可忽略。由N-S方程中推导出无量纲化的雷诺方程，采用分离变量法来重构静压气体轴承内的压力分布函数。发现轴承的承载特性与离心率之间存在一种非线性的关系。采用Möbius变换，将轴承矩形区域共形映射到单位圆，分析气体静压轴承的承载特性。发现在相同的面积条件下，矩形边长比例越大，其产生的轴承承载力就越小，要想获得大的平面推力轴承承载力，矩形边长的长度比尽量取为1。系统地分析了气体静压推力轴承中斜激波的演化过程。结果表明，小的入口压力导致惯性效应较小，气膜边界层厚度会大大增加，激波串等复杂流场现象很可能发生。但随着入口压力的增加，惯性效应开始发挥更重要的作用。斜激波的入射和多重反射现象随之可见，超音速区域迅速扩大，负压区也迅速扩大，导致轴承承载能力急剧下降。根据气体静压圆盘推力轴承的结构特点，推导轴承气膜流场的一维连续方程、动量方程和能量方程。并通过引入密度与压力的线性关系式和气膜界面的抛物线速度分布公式，简化一维模型的计算过程。计算结果表明，压力是气体静压轴承流场中最重要的热力学物理参数。通过进气口压强、偏心率及结构参数等对轴承气膜流场产生影响的研究结果，改变节流孔张角可实现气体静压轴承结构的优化，使得节流孔附近的涡流现象逐渐减小，节流孔周围的气体压力有所提升，气体密度分布更加均匀。气体通过节流孔拐角的能量损失降低，进而提高轴承承载力。.以上结果有助于研究人员更好地了解气体静压轴承的流场特性，为工业应用并进行结构优化设计、提高轴承承载特性奠定理论基础。