（机械设计及理论专业论文）径推联合浮环动静压轴承设计及试验装置研究.pdf

摘要 恐4 2 9 0 17 l 随着科技不断进步，工业发展对机械转子系统的要求越来越高，需要高精度、低 功耗、高稳定性的轴承作为系统支承件，并朝着高速鸯裁的方向发展；要求在高速和 低速时都具有较高的承载力和较好的动态性能，有较宽的低速范围和无摩擦工作区 域，较高的位置精度和旋转精度等。径- 推喂绑私蹦压轴集静压轴承和动压轴承 的优点于体，而且在轴颈与轴瓦之间加入了径瑚联合浮环，使轴承径向部分和推 力部分的油膜分别从单膜变为双膜，因而该轴承又具有浮环轴承的优点，同时结构紧 凑。 径推联合浮环动静压轴承即能承受径向载荷又能承受轴向载荷。轴承径向部分 和推立部分均采用深浅腔结构，深腔可使轴承在启动时具有较好的静压承载性能及较 小的_ l 孽 察力矩t 而且在高速时保证供给足够的润滑油。深腔与浅腔及浅腔与封油面之 间均采用阶梯结构形式，可使该轴承在高速运转时产生较大的动压承载力。该轴承采 用深j 挖f 逢隙节流配合浅腔二次节流的节流形式，不仅具有更好的静、动雎恃性，也有 效士l 蜷免了节流器阻塞。轴霹舀j 作时，主轴与浮环之间形成内油膜，即主支 掌i 由膜。 浮环与轴承之目形成外油膜，相对于内油膜而言，外油膜可以认为是种有用的附加 。y 本文在考虑流体囔性项的径稍联合浮环动静压轴承鼬y l 出方程的基础上，经 过有限元计算分析设计了套 圣推联合浮吓动静压轴承，并甫糙了轴本吲滞及供油 系统、加裁轻置等，以便拥动态澈圃燃它试验柳龆桷膀黝的静、动十拙挂 行了深入研究。 一、首先建立了径椎联合浮环和动静困胡维向部分和推力部分内夕憾搿【学漠 型，并从理论上导出了静、动特性计算公式，用有限元法计算了内外膜压力场分布及 静动特性参数，并且以这些参数为依据设计了该套袖承。 二、研究了以i 稀船嘲嚼带流盼陲捆匏辩移防静压轴承在素流工况- f 内夕h 漠 因子的影响建立相应的紊流 力部分内外膜的压力场分布 在得到计入迁移惯性项的径 通过在方程左端项加入紊流 部分和推 郑州大学硬士学位论文 三、用动态激振法研究了轴承径向部分内、外膜共1 6 个刚度和阻尼系数以及推 力部分内、外膜的4 个动刚度和动阻尼系数o f 锤击激振产生的小扰动是一单位脉冲输 入，其中包含了各种频率成分。可由加速度传感器和位移传感器将测试信号经频潜分 析后将所得增益随和相角代入由轴承动力学模型得出的矩阵方程中，经矩阵运算可得 出轴承系统的动懒数试佥值。y 四、为了能够对径摊联合浮环动静压轴承进行试验方面的研究，本文针对轴承 试验方案和试验装置方面进行了研究，并解决了轴承试件加工过程中的难点工艺问 题。 ， ( 动特性蝴究是研究轴承动态特性及“油膜涡动”、“油膜振荡”等轴承稳定性 能的基础，在以往的径向滑动轴承的性能试验澳蜮中，主要是在径向加载进行澳帆式。 而在本次徭时瞄茛合浮环动静压割僻嫱撇计中，考虑了血 昕撇向和轴向同时力口载， 这在以往的滑动轴承实验中是未曾有过的。而如何进行轴向加载这一技术难点通过合 理设计的套轴向加载装置而得以解决。 根据轴承设计计算及分析结果加工制造了套径书目茨合浮环动静压轴承试件和 主轴系统，根据试验扪翔斑鹉姻的研究加工制造了配套的大流量供油系统及加载 装嚣。 以上轴承设计计算分析和试验装置与实验方法的研究为径推联合浮环动静压轴 承的进步试验研究及实际应用奠定了基础。 本文完成的工作是国家自然科学技术基金项目“径前明冶浮环动静压轴承静、 动特性研究”工作中的部分。 ， 关键词： r v y n o l d s，缝隙节流，径壤联苔浮环动静压轴承，动态激振 论文类型：应用基础 + 本文得到国家自然科学技术基金( 5 姗踟) 的资助 十 ，；，lp，1 垒壁塑坠塑 a b s t r a c t w i t h 妇d c v e b d t l 删o f s d c n c e a n d t e c h n o l o g y ，b c a z i n g w i t hh i g hp 蛐，l o w p o w e r 咖鞠喇n ga n dh i g hs m b 伍t yi s n e e d e dt oa c ta s 曲s u p p o r t e ro f1 1 1 c m a c h i n e r o t o r 嘲删s y s t e m i nm 姗，a n di ti sd 骶b 1 ) i r i gt o w a r d st h e 删o f h i g h v c b c i t y a n d h e a v yl o a d r a d i a l - t k u s tf l o a 姆i n gh y b r i db c a n n gh s 她鲥h 删a 8 皓o f b o m 姆m d s 喇c k 啦a n d 坶出d c 昕啪i c b e 卸吨a s t i l e m 血山岫n 曲跳i s i n s e r t e d b c t w e 印s h a f t a n db e i n gs m f a c c ，n l eo f ff i l ml r j s f o r m sf r o mo 憎l a y 盯t ot w ol a y e r s ，a n ds oi t i s d c 盯脚删t i l a t 雠b e 明吨i s a 恻l y p e o f o 州t i l o 血| 0 i d i r i | f y 啦哟 p , a d i a l - t l - u s tf l o a 吨- r i n gt 咖d b e 撕1 1 9 啪s u s t a i n n o t o n l y 吐l e r a d i a ll o b db u ta l s o 惋t l l u s t l o a d 舢t h e f 砌a l p 眦a n d 雠t h r u s t p a r t o f $ e b e a r i n g t a l 咖咖e o f 由e p a n d s h a l l o w c a v i t y ，t h e 由印c a w c a n m a k e 雠b e i n gh a s 驴0 dh y d r o s 枷cb e a f i i l g 晔i i y a n dl o wf r i 甜o nm 饵t 翻呲w h e n 曲删i 玛，w h i l e o 、蚀飘瓶咖l u b r i c a t i n go i lw h e nr u ni n i l i 曲s p e e d t h el a d d e r 蛐1 i 加b “煳t h ed 。e p 锄ds 1 1 a l i o wc a v i t i e sa n ds e a l i n g s l a s a c e c a n 芦妇h 咎b e 越i 1 1 9 c a l o r y 姚t h eb e a r i n g i s r u i l i n g t h e k 缸i i 唱螂a 删 t y p e r e s a i c t o r 一曲腑椭螨嘶i s i a i d i l l 岫d e e p l 粼i i l s 吲o f o 旧s p a ， w h i c hm f m ml t l ei 曲d c 鲥嚏o f ff r o mb l o c k i n g e f f e c t i v e l y 0 p e 删n g 位b e i n g ，f l a c h m c r 0 i l f i l m i l l b e 缅栅棚雠s 蛐a n d 惋触蚺，恤i s 幢n 翰婀矾f i l m ，a n d o t 虹o i l f i l m f o m 剥b e a e x m t h e 丑c 毗i 哩嘶l 嗨a i d t h e b e a f i n g s 自。e ，t l l a l i s a k i n d o f u s e f u l 印p e n d 阪e k 斑剐p p ( 】n i nt h i s 即，b m c d 0 1 1 r e y n o l d se p 妇m o f t h e b c 蛹i 唱i nw h i c h 妇h d x i c a m i 衲蛔1 i s 璐i 捌，l i l em o d e l d a h i m 吱f l o m i n g - d n gh y 硎b e 撕唱w a sd 商g n c d a n d 船叫- 锄。d 恤呻妞f i n i me l c m a sm e t h o dc a l c u l 血i o n f l 妯锄，l l eo i l p r o v i d i n gs y s t e ma n dl o a dd e v i c e sa l s o 牟h 耐a c c o 她t o 由幔m l b 疵衄v i | 嘲出i 琢 m e f l 帕d ，谢c 捌由哪疵d l 嘲陡髂瓣d 自c p l y 麟恻 d l 。d w i i i i a l o t o f 腻p 自f h s t ， n m 砌h r i 妇i 删o f & d 吐赶m 瞳n 0 面r 学衄删b e 啦喀i s m a d e a n d t l 嘲出a n d d y m l i l i cd h m 嘶如岱o 强d 瞄如瓣a d c 柚删b y l l l ef i n i me l e m 酿量e 蝴s e c o n d 。 吐舢【h 岫p i l 囤a 难咖惋蒯p a na n d 岫叫o f m d i a t 4 1 m 吱位面i l 邑同1 1 1 9 t 咖i d b e 鲥l i 萼砌譬s m l c t m o f d p m d 幽a i b w 姗c 1 1 盹吐砌e i sd i s c 删t h e 柚i b i b 磷掣d 凼b 掣甜b n i sd e 蒯b y a d d i i 瞎n l e 劬f h 妇吐f a e m i si n 岫舯昏m l a i 郑州大学硕士学位论文 _ _ _ _ _ h - _ _ _ _ 一一一 r e y n o l d se q 删mp r e m 鹏d i s l r l l 击o n o fl h eb e 撕f i ga 肥w 删o u tb y 璐i i l gt h e f i n i t ee l e n m 吐m e l t x f l 。删，t kd y m r i i cc h a r a o e r i s l 虹i n c l u d i n g1 6 由- 啮埘cs t i f f n e s s c o e f f i c i e n ta n d d y r 旧m i cd a m p e r c o e f f i c i e n to ft h er a d i a lp t r ta n d4o fl h et h r u s tp a r ta l t e s e a i d 埘t 0 u 班麟p e 【i r 豫吣t h e s ec b 越曲耐疏骶a c q u i r e dt 1 1 f 叫9 1 1 t h e 曲搬 c a i c u l a l i o n b y m a k i n g u s e o f l h e d a l a c o m e f r o m t h es e n s o r s f i n a l l y ，i n o r d e r 幻p r o c e e d l h e a c 弘恼嘣删f e s e a m i i n g o f n l em d i i 山口n l s tf l o a t i n g - d n g 蜥d b e a r i n g ，m e 既p e m n 朗cp l a l l a n dt h e 哪p f 嘣a 把m s e a m h e da n ds o m eo ft h ek e yt e c h n o l o g yw h i c ha p p c a i e di nt h e p o ( h i 击o f 她h 莉l 唱瓣i e s o l v e d e x p e r 慨o n t h ed y n a 疵d 脚孤俩幽c sa mb a s i so f 嗍h i n g t h e 啦呦s u c h a s f l l e o i l w h i r l a n d t h e o i l w h i p t h e 删t y o f l t l e e x p e f i n m n i s h o w t o e x e r t t h e l o a d ，a n d t h a t i sr e s o l v e d b y d e s i 跳n 1 0 a d d e 眦陀鹄饼谊b a l la b o v et h el l i 味a n d e x p e m e m le q u i p m e n t 佗鸵缸d l i i 唱f o r m e d t h eb a s i so f p m c l i c a l a p p l i c a t i o n f o r r a d i a l - l h m s t f l o 衄堍h y b r i d b e a r i n g t h i s p a p e r i s p a r t o ft h e 佗鸵缸她p r o j e c tn a m e dt h es 嘶ca n d 由m 鲫1 1 i c c i 盈m 瞻蒯c sl e s e a r c h 吨o fm er a d i a l - l t m 签t n 血学m l gh y b r i db e a 血g w h i c hi s s i 驴p 0 叽。d b y l h e n a t t n a ls c i e n c e a n d t e c h n o l o g y r e s e a r c h f o u n d a t i o n o f t h e n a t i o n l k e y w o r 凼：r e 3 脚l d s e q u a l i o n ，c r e v i c e t h r o t t l e ，r a d i a l 抽n j s t 妇饵血鲥i l g h , 啊i db e a r i l l g ，愀w l x a l i o n + t h e o a l 】e r i s 踟删b y t h e n a m a l s c i e n c e a n d t e c h n o l o g y r e s e a r c h f o u n d 撕o n o f t h e n a l i o n ( 5 9 8 7 5 0 8 0 ) 符号说明 q ， q ， q p 。 p c 尺l 见 l 一 ，o d 肌 f m ， h ， q n p h r e p h q ，h s 占 u v w r e 符号说明 轴颈转速 浮环转速 环速比 供油压力 润滑油动力粘度 润滑油密度 油膜半径间隙 径向部分或推力环的内圆半径 径向部分或推力环的外圆半径 径向部分或推力环的宽度 轴向部分油腔中心圆半径 轴向部分油腔项端圆半径 轴向部分深腔宽度 径向部分承载力 轴向部分承载力 径一推轴承的摩擦力 径一推轴承的摩擦力矩 径一推轴承的摩擦功耗 泵供油流量 泵功耗 轴承无量纲油膜厚度 雷诺数 油膜压力 轴承深、浅腔无量纲深度 径向相对偏心率 油膜沿周向的线速度 油膜轴向的线速度 油膜厚度方向的线速度 简化雷诺数 1 绪论 1 绪论 1 1 径吲明硷荐砑嘞糖压轴承研究的意义 径一推联合浮环动静压轴承( 以下简称轴承) 是一种集静压轴承、动压轴承优点 于体，在轴承径向部分和轴向部分主轴与轴瓦之间加入一只制造为体的浮环，这 样轴承的径向部分油膜和轴向部分油膜分别从原来的单层油膜变为双层油膜，使该轴 承不仅具有良好的启动性能和良好的静动特性，而且具有较高的运转稳定性。 径一推联合浮环动静压轴承既能够承受径向载荷又能够承受轴向载荷。与动压轴 承相比，该轴承结构匕采用深浅晌蚧】粥虫目i 形式，充分利用了轴承的动压效应，使轴 承具有较高的承载能力。与静压轴承相比，该轴承采用深浅腔皱苦节流，具有较高的 静压承载力和静刚度“，配以适当的静压供油系统就可当作静压轴承使用从而可 避免系统在启动、停车和低速运行时轴与浮环以及浮环与轴瓦之间的干摩擦或半干摩 擦状态，降低了启动扭矩，减少了轴承的磨损，并有效h 蝴l 免了堵塞。 目前动静压轴承的研究主要局限于圆柱动静压轴承和推力动静压轴承方面，许多 场合要求转予一支承系统的轴承既要承受径向载荷，又要承受轴向载荷。圆锥轴承虽 然可以同时承受径向和轴向两个方向的载荷，但是，圆锥轴承只有个圆锥面同时作 为径向、轴向工作面，轴向承载能力有限。有些设备的转子一支撑系统需要承受较大 的轴向承载力，例如某大型透平压缩机组t 的膨胀机其轴向载荷是径向载荷的十多 倍，另外，当轴颈转速过高时，轴承的摩擦功耗将急剧e 升，使轴承温度升高、效率 降低，而推力轴承在转速很高时其离心力的影响将不容忽略，并将使其承载力下降。 因此，为改i j 珈挣蛩髂垧酶的性能，适应观代机器工业发展的要求，我f f 旌动、静 压轴承设计中引入联合浮环结构，展开“径寸豳黼环动静压轴承”的研究，并且 得到了国家自然科学技术基金的项目资助。 经理论研究与探索，径寸朗簧合浮环动静压轴承具有以下主要特点。 ( 1 ) 较高的运转稳定性径稍蛱合浮环的引入，使l 血承径向、轴向油膜分别从 划隗眨为双脆经理翻砺骥- 研究瞄醇甥有较尚燃稳定催3 i 。 ( 2 ) 摩擦功耗低、温升容易控耐轴承运转于不同的速度区域内，浮环具有较 稳定的环速比，因此，轴承高速运转时具有较低的摩擦损耗。 郑州大学硬士学位论文 ( 3 ) 适合白：高速、大戴街f ：运萄专。由于轴承双膜的存在，降低了轴与轴瓦的相对 速度，采用深腔、浅腔、封油边等阶梯过渡形式，同时由于静压效应的存在，可使轴 承径向部分和推力部分在高速下均能承受较大载荷。 ( 4 ) 结捐i 紧凑、启裂鹏吗；方便。将径向浮瑚蜥向浮环做为体成为徭湘蒴合浮 环，使整个轴承的体积缩小，静压供油系统的存在可谢晚轴承在启动和停车时磨损。 综上所述，径刊溺眙蜉环动静压轴承既能够承受径向载荷又能够承受轴向载荷， 同时还具有动压轴承和静压轴承的特点。由于浮环的加入。使该! 血承又具有良好的高 速性能和较高的稳定性能，因此该 由承在高速旋转机减s 贞域内应该具有良好的应用前 景。 1 2 径靠涮治蒋 固秀嘲鞋瞳蛳承的发展状况 早在匕一世纪六、七十年代，美国、德国、瑞士等一些国家已经开始在工业七应 用油润滑的纯动压浮环轴承。有关浮环轴承的研究也从此开始并不断深 。 最早的有关浮环轴承的研究报告是在1 9 4 7 年由乩c s h a y 等人提出的，报告中用 近似公式代表内外层油膜进行了静特性计算。后来，曾田和崛幸夫分别用s o m m e r f e l d 和r e y n o l d s 边界条件，用无限短轴承理论计算了浮环轴承的转速比和承载力，而 t r i p p e t t 和l i 贝| 脑温度对洞骨袖粘度的影响考虑进去，然后又重新进行了计算了环 速比和承载力。o r c u t t 和n g 将外膜( 浮环外表面与轴承之间形成的油膜) 、内膜( 浮 环内表面与轴颈之间形成的油膜) 分别计算，在线性假定的基础匕用个特征系数表 示浮环的动；态；特性。董勋、陆洪涛等 采用r e y n o l d s 边赛条件，用差分磋：求解了浮 环轴承的相关特性。l i 和r o h d e 则研究了浮环轴承的瞬态行为，提出了浮环轴承的 非线性特性。 国内也开展了关于浮环动静压轴承的研究，九十年代由郑州工学院机械学研究室 承担了“深浅腔圆锥浮环动静压轴承”的研究工作，对具有深浅囱拘圆锥浮环动静压 轴承的静、动态性能进行了理论和试验研究，取得了重要理论突破和试验结果h “。 一九九九年郑州大学机械工程学院柳械学研究室又承担了径_ 于鲫黼环动静压轴承 的研究项目，进行径瑚联翎和砖哺 压轴承的静、动特性与稳定性研究和试验分析。 随着当撇羽眵隧步，工业发展对机械转子系统的要求越著芒i 嚏高，需要商隋度、 低功耗、幕滴定的轴承作为系统j 谭| 件，并且朝着高速、馘荷晌瞄争旋展，要求在 低速和高速时部具有较好的承载力和动态性能，有较宽的速度范围和无j 靴作区 域，较高的位置精度和旋转精度。同时，动静压轴承结构形式多种多样，根据芄承受 2 1 绪论 载荷方向的不同，可分为圆柱轴承，推力轴承和圆镭油承。径向弛剽鼬脚形状的 不同，可分为圆柱形轴承、椭圆轴承、多油叶轴承、锚位轴承等。根据其有无油腔可 分为有腔式和无腔式，其中，针对具有普通圆柱动压轴承外形的无腔式动静压轴承亦 有较广泛的研究。而径吲鞠眙稃环动静压轴承是不断深入研究和逐渐发展起来的一 种新型高稳定性轴承。 随着润滑理论和袖承研究理论的不断深 和发展，具有各种结构类型和功能、满 足不同使用要求的新式轴承还将会不断涌现。 1 3 课匿弩景及本文主要工作 径_ 丰鲫施皱釉不j 螨压轴承设计及试验装置研究是郑州大学机械工程学院机械学 研究室承担的国家自然科学技术基金项目( 5 9 8 7 5 0 8 0 ) 中的部分内容。该基金项目 预计从理论和试验两方面对种新型浮环动静压轴承进行研究，经过不断研究祀探 索，以期为该种轴承的设计和运用奠定理论基础。 本文研究随主要内容： l 、径寸豳羝皱事雨埔压轴承设计及该轴承静、动特性分析研究； 2 、考虑流体静叫剜生力作用的径一推联合浮环动静压轴承紊流工况下内外膜匿力 场分布研究： 3 、径一捆暌绑雾潲压轴承试验方案及试验装置的研究、制造： 解决的关睦闯题和戗新点： l 、解决了径一推联创翱猖喃 压轴承径向部分租瞪匀部分静l 寺l 蝤鹅韩吸内外膜共 2 0 个( 3 坐标系下) 动刚度系数、动阻尼系数的测试方案与测试装置问题，并作出了 相关理论推导； 2 、遁面帐设备踟舒n 采用电埘劭旺等新工艺解决了轴承、浮环深浅油 腔加工工艺等关键技术问题； 3 、本次隆推联翎孚玉稀啉压轴承 式验设计中，考虑了如何在径向和纳向同日寸力 载，避1 2 上 曲噼缀i 轴承实验中是来瞥有过的。而删可主蝣亍车由向加勒吝_ 捌t 难点通 过合理设计的套轴向加载装置而得以解决 本文重点是对采用动态激振法澳i 定轴承油膜动态特性的轴承试件及试验装置进 行了研磕9 。在实际的滑动轴承支撑的转子系统中，轴承是固定的。在轴承试验中，把 试验轴承固定的轴承实验台称之为正置结构。但在这种正簧结构的实验台中，由于轴 剧辩睾的，彳艮j 舰蛇瑚咖捌融哟蒯喇撤的簟湔。因1 磷划塌硼。而在饿影射勾的实 3 郑州大学磺士学位论文 验台中，轴名义上只作旋转运动，而试蝴在轴匕浮动。在平衡位置匕对浮动试验 轴承在径向或轴向施加交变的激振力，取平衡位置作为原点建立运动微分方程。在滑 动轱l 承试验中。径向蜀渤向所施加的浏振力分量可由谢浙瓣生。浏振力大小和轴承 中心的运动参数可由试验测定，对于完整的滑动轴承动特性系数可以通过动静法与二 次涮振法获得。这对于实际滑动轴承工作时的正置结构来说，以此试验方法获得的轴 承性能参数仍能反映轴承实际工况下的性能参数。 1 4 小结 径吲溺眙讶环动静压轴承具有承载力高、稳定性好、结构紧凑、启动停车方便、 摩擦功耗f 氐等一系列优点，是高速匏婚钆娥领域的发展方向之一。径瑚洽浮环动 静压轴承的研究，同时也推动了高速精密动静压轴承的蓬勃发展并健f 吏新型高速、高 稳定性轴承不断出现，自然也促进了润滑理论和轴承技术的研究。 4 自 | 2 径推联合浮环动尊压轴承工作原理及结构特点 z l 径郴联合浮环动静医轴承工作腮 该轴承是径向滑动轴承和平面推力滑动轴承在结构上的有机结合，并且在轴颈与 轴承之间加入了浮环，该浮环是将径向浮环和推立浮环设计为整体形式，即径椎联合 浮环，其结构如图2 1 示。 圈zl 径_ 于旧靶斟笋释削蚯瑚 该轴承充分发挥了径向浮环与推力浮环的作用，当轴颈以角速度q 旋转时。主 轴通过油膜带动浮环以国：旋转。显然，浮环转动的角速度是通过内外层油膜对浮 环作用力和摩擦力矩的平衡来调节的。若轴颈转速为q ，则浮环转速为国z ，亦 即浮环与轴颈的速度比f = 0 2 ol 是个由浮环所受的平衡力和摩擦力矩来确定的 量。只有内、外层油膜作用到浮环的油膜力和摩擦力矩达到平衡，才能保证泽叼磕某 珂速比下稳定工作。浮环芷r 作时，方圃西j 朔钙e 摩擦力矩盼乎 蜘刚栉勰专角 速度，另方面i 西过浮环径向内夕棚潞瞳攀和轴向内外膜间隙的不断自动调整，来同 州保证径向和轴向内外油膊靖q 殍审拶) 达到平衡l z 2 径旧茛台浮习噶嘲帐翻啦承结构特点 径前明眙诨环动静压轴承径向部分和推力部分的油腔均采用深浅腔结构( 如图 2 1 ) ，径向部分深腔深度大约是浅腔深度的5 1 0 倍，推力部分深腔深度大约是浅腔深 度的3 4 倍，这佯可使轴承即具有节流作用，又町懒g 腔与浅腔相互作用形成9 i 压效 5 郑州大学磺士学位论文 应。径向部分内膜油腔开在浮环上，外膜油腔开在轴承已并且内外膜油腔数日按奇 偶豸喀昔开，在荆承设计中采用了4 腔和5 脏l 韵；轴向部分内夕懒脏幽融浮珂上 并设置在浮环推力盘的两侧，均采用8 腔结构。径瑚蒴冶谇环动静压轴承结构示意 图见图2 2 ，具体结构参见附录4 。 橼径摭潲鲥 径拥朔 合浮环动静压轴承结构e 具有如下特点： ( 1 ) 轴承径向部分和推立部分均采用深浅腔结构，深腔可使轴承在启动时具有较 好台q i l 争压燃能及较小的摩擦力矩，而且在高速时保证供给足够的沣日滑油。同时， 深腔与浅腔之间、浅腔于封油边之间均采用阶梯过渡。该轴承的节流方式是将毛细管 节流器置于深腔中，与深腔合二为一。通过深腔( 相当于毛细管节流器) 缝隙节流配 合浅瞪二次节洲虹瓣撇有更好的动静日球 性，也有效地避免了节流器阻塞。轴 承在工作时，浮习专耐卿i 之间形成内油膜，即主支撑油膜。浮环与轴承之间形成外油 膜，相对于内油膜丽言，外油膜可以认为是嘈附0 日j 靴封目掌。由于该层油膜的刁珂 压缩性和吸振性可镁嘲个轴承处于弹牲支捧状态，u 而也说明谚轴承具有较高的运转 稳定性，是种高稳定性轴承。 ( 2 ) 轴承径向部分，内膜采用4 腔结构，外膜采用5 腔结构。每个腔又分别由深 腔和浅腔组成，并且与供油环槽相通。油液经过供油槽流入深腔，在静态下可将轴和 浮环托起，在轴承逗瀚于又可保证侈t 予充足白q i 目滑油。当轴承主轴赫常时，外膜深浅 腔豹位置是固定不变的，内膜深浅腔的位置随浮环旋转而不停的变动，则必然厶产生 6 2 径推联合浮环动尊压轴承工作原理及结构特点 周期性的激振力。轴承在运转时外膜可看作是减震器，具有吸振作用，为此将轴承外 膜设计为5 腔，以次来减小浮环的振动( 见图2 1 ) 。 ( 3 ) 轴承径向部分，由于在同样的包角下，内膜深腔部分的展开面积要比外膜 小，为保证油承在启动低速和低速时浮环与髓嘶两时包死，使浮环内侧深腔面积大于 外便陋目腔面积来提高内膜静压承载力。 ( 4 ) 轴承推力部分由于推力盘线速度非常高，最大可达3 ( ) i n s ，为减小轴承在 运转时惯性力的影响，推力部分内外膜油腔的边界做成圆弧形状( 见图2 1 ) 。 ( 5 ) 轴承推力部分，深腔有较大的面积，目的是使轴承在启动时具有较好的静 压承载性能以及较小的摩擦力矩：而在高速时保证给浮环供以充足的润滑油。同时浮 环与轴颈之间( 内膜) 的深腔面积铰浮环与轴承之间( 外膜) 的深腔面积大，这是由 于轴承高速运转时，内膜的速度远高于外膜自钲速度，这势必造成外膜的工作面积比内 膜大。因此，为了保证浮环不会被外油膜压推至j 雠颐匕靠死，可用增大内膜深腔面积 的办法来提高内膜的静压承载能力。 2 3 小结 径椎联合浮环动静压轴承是径向滑动轴承和平面推力滑动轴承在结构上的有机 结合，在轴颈与池季：之间加入浮环，且该甬吓是将径向浮环和推立浮环设计为整体形 式，即径椎联合浮环。 轴承径向部分和推立部分均采用深浅腔结构，深腔可使轴承在启动时具有较好的 静压槭性能及较小的摩擦力矩，而且在商速时保证供给足够的润滑油。同时，深腔 与浅腔、浅腔与封油面之间昀采聊州弟过渡。电渤承的节流方式是将毛细管节流器置 于深腔中，与深腔合二为一。通过深腔( 相当于毛细管节流器) 缝隙节流配合浅腔二 次节流可使该车由承具有更好的动静压特性，也有效地避免了节流器阻塞i 。j 。轴承在工 作时，主轴与浮环之间形成内油膜即主支撑油膜。浮环与轴承之阃形成外油膜，相 对于内黼言，外油膜可以认为是啼附嘶靴歧撑。从结阻上可以j 青楚的看出， 该! f 喃| 充分发挥了推力浮环与径向浮环的作用。 7 郑州大学磺士学位论文 3 1 径日旧茨合浮研碗肩阳磷如雅向翻吩囊鸱售e 型 1 、般假设为了简化方程，略去方程中不重要项，可提出如下假设： ( 1 ) 润滑油不可压缩，而且润滑油粘度保持不变，轴承在等温状态下工作。在试 验中采用了，主轴油，并且采用合理供油方式、加强散热等措施，尽量保证轴承运 转在恒温状态下。有关径稍弱冶谱环动静压轴承温度场的研究已见参见文献”。 ( 2 ) 忽略彻体力的影响l 。 ( 3 ) 层流状态，油膜中没有紊流和涡旋 ( 4 ) 由于油膜厚度极小，不计油膜曲率的影响 ( 5 ) 在轴颈、浮环及轴承表面与液体表面之间没有相对滑动。 ( 6 ) 不考虑轴颈、浮环及轴承的弹性变形，不考虑轴和浮环的中心线的偏斜及加 工制造误差。在轴承试件加工过程中通过制定合理的加工工艺与热处理工艺来减小该 项的影响。有关考虑轴承弹性变形的弹流润滑模型已有专著论= 斟川。 ( 7 ) 不计压力在膜厚e 的变化，略去其它方向b 射女期擅。 在以上假设的基础匕可建立起合理的理论计算数学模型，以便使轴承试验和实际 应用能够在一定范围内合理。 2 、径雏田眙圆嘲秀嘻船醋雠向部分n 那o 地方程根据以目枣本假设，由 流体动力润滑理论可得到质点运动方程、连续方程i 。考虑了牛顿粘性定理后，可得 到n a v i e r s t a k e s 方型。由于该轴承设计转速较高，轴承运转时产生的流体懂粥功 不能不考虑，故般假设( 2 ) 中的流体惯性力影响将被保留。因此，由直角坐标系 下计入迁移惯性项的晒昏方程组和连续方程可推导出含有惯性项的内、外膜 非定常r e y n o l d s 方犁州。采用无萤纲因子对轴承径向部分r 自n o l d s 方程进行无星够稠 化处理，可得蛰陉瑚固冶稃环动静压轴承径向部分无量纲非定常黜删凼方程。 对内膜： 8 ! ! 垡堡笪堡堡塑曼些! 苎堡坚苎望墨丝 击一嘉) + 陪) 丢( 。嘉) = s 嚣孬j + 1 面a h l 憾：鼠+ 瓦瞄艘 e l 。0 。1s i i l 卿一已g 2c o s p ：- i - s 2 0 扫2s i n ：) 】+ 己bc o s 奶+ 毛o b is i n ( 0 1 ) ) ( 3 1 ) 对外膜： 景b 3 篆 + 隆 瓷一篆 _ s 豢+ r 陡一是如c o 鼢+ 龟织豇n 晚i 其中， ( 3 2 ) 胁她，m ：h 啊叫气- 2 学 r e 。和，铲聃，仆靠，日2 华百 d l = c 1g 1 l f l 2 ) 女l ，e i = c 1 s i o ，百l = ( q i q2 汐l 孑2 = c2q l q 2 弦2 ，f2 = c 2 2 0 ，石2 = ( q l q2 矽2 r e 2 ：廊2 r 2 c 2 r e ；：c 。3 2r e2 五，：生 f ， 恐 ，算2 = 尺2 妒2 一2 2 2 b 5 警巧，峨- c 2 铲印：o 略嘛”即： 石2 音卜等l 等等+ ( 等) 2 筹嘉| - 等鬻( 筹 2 + 锵鲁鬻+ 譬鹕籍一镲爵鲁 一右吲2 p 鲁- 2 ) 鲁刳+ 2 斟善离采。+ 阿鲁割 9 亟 d 妒i a 五l势黯 塑却 町| 。塑掀 籍删浒 b i = 己：2 h l _ o h i d 妒1 丽a h i 一盟2 0l塑嘉+降)2a明111叫1+面12&pl r e 却- l la 仍l 厶觎i 觑ii ： 瓦=堕鬻一堕l等鲁+鲁厂等熹l+两1210 2 0 2 a 妒2ia 妒2a p2i l 2ja 丑2 a 五 ir e ； 石= 去 _ 等l 丢筹+ ( 刳2 堕d t 2 兰d t p z d 至2 2 | - 丝4 0 盟o q , 2 ( f 巫o 。, 2 1 j 2 + 生：堕坠+ 堕堡一一4 h 2 2 t a h 2 堕陲1 2 f 所亟一2 1 亟盟 2 0 a 妒2a 妒2 2 0 a 妒； 5 a 妒2 4 0l l 2 jl t 3 口0 2 j a 赴a ki + ( 鲁 2 壶 _ 型2 8 0l 象巫, 矾p 2 t 9 2 ：+ 陪 2 裘象 卫4 0 ( 罢 2 瞬 2 薏l 如j ll 一仍 2l 如jd 也矿如2ll 如jl 砒j 讹 h ；t 3 h2a p 2a 吃呸a , 0 2 。3 h 24 a j p 2o h2 i 4 0 a 妒，a 妒，a 2 2 0 a 妒，a ， 2 0 a a ，a 伊，i 该处的压力相等，即p b 轴自= p l 径冉。则有 l p t = 0 i e f i 只柽向= p 。轴向 ，er 2 【p - = p j l 9 2 警。b 一k 其中，m 表示第肌腔，p ，为腔压。 1o 3 径推联合浮环动静压轴承设计及其边界条件 ”推力部分敷学售鲤 1 、基本段设。对于径搠溺冶详环动静压轴承推力部分，由于轴颈或浮环的推力 盘边缘的线速度非常高，流体离州贯性力的影响不能不加以考虑。因此，除了在数学 模型中考虑惯性项影响以外，其余假设同3 i 。 2 、径靠联合浮环动静压轴承推力部分极坐标r e y n o l d s 方程。在极坐标系下计 入迁移惯性项，便可得到径推联合浮环动静压轴承推力部分极坐标系下的 n a v i e r - s t o c k s 方程组。经无量纲化处理后，可得到推力部分无量纲化非定常r e y n o l d s 方程。 对内膜： 0 3 - i ( 柑别+ 去别捌- 鬻恻z ( _ l 也) ， 对外膜： 麦( 如町薏j + 彘薏 = s 如警+ r c 曩吨如如 c ，舢 其中， 五：旦l q 2 r c ：= 导r c - v l = c l 陋l - f 2 2 溉 c = c 2 c ，l = r i r c 。；她超! 鱼 日= 学百 p 2 = c 2 i - f 2 2 砖 邦，h 大学焉士学位论文 r e 2 ：n 2 r 2 c 2 岛= 警丐 r e = 鲁r c ： 吃娟：如 v 2 = c 2 q 2 - 2 西= 者 - 舞嘉杂+ 等( 碧) 鲁i + 击i吣2 丽l 一面两否而+ 百【丽酉f 1 瓦f 一等鲁+ 睁副刊 口芦i 、2 两j 瓦= 蠹卜豢2 8 0 2 薏0 2 袅0 0 + 堕1 0 割+ 壶l 爿2 8 0 瓮 2 4 a 口，l，a 丑，i a a ，la a 2l硝i 口口2j 一生丑+ 三五，；f 1 0 0 0 2 1 0 j 3 4 径时目瞻台浮习珊压轴承椎力部分边界条件 径拥默合浮环动静压轴承推力部分边界条件如图3 3 示，其中，r l 为轴颈推力盘 或浮环推力盘边界，因其与大气相通，所以取此处压力为零。r 2 为进油边界，径向 部分和轴向部分在该处的压力相等，即p r 轴自= p n 径自。贝q 有 压力边界条件 l p - = 0f r l p j 径自= p j 轴自f f 2 1 只= p 。f r ， l2 器 3 径推联合浮环动静压轴承设计及其边界条件 流量边黼 q ：毕= q 。一q 。+ + q ) 。， j 其中m 表示第m 腔，p ，为腔压。 3 5 小结 根据流体润滑理论，由般形式r e y n o l d s 方程导出了径推联合浮环动静压轴承径 向部分和推力部分内、外膜r e y n o l d s 方程。采用无量纲化因子对方程进行无量纲化处 理，并且给出了该设计轴承径向部分韵压力和推力部分的边界条件及流量边界条件。 利用有限元法求得轴承内、外膜压力场后，可进步研究其静动特性【川。有关轴承径 向部分静特性计算公式列表参见附录l 、附录2 。 郑州大学硕士学位论文 假设轴承转子系统在受到小扰动情况下考虑了流体惯性力( 仅考虑流体离c 愤 性力而忽略流体流动惯性力) 的影响，利用曲线坐标系下的流体力学基本方程组，导 出了含有惯性项的径邪- 联合浮环动静压轴承径向部分和推力部分的非定常r e y n o l d s 方程。借助八结点等参元法行有限元求解。计算出了含有惯性项的该类浮环轴承的静 特性参数和动特性参数。 4 1 基本初始参数 轴承基本初始参数包括基本物理参数和轴承径向部分、推力部分的初始结构参 数，以及压力协调条件、边界条件和流量边界条衔已在第3 章中给出) 。在有限元程 序运行过程中是通过内、外膜的油膜承载力的平衡和摩擦力矩的平衡来不断调整计算 结果，最终在误差允许的范围内达到平衡而得到所求结果。 一、基本物理参数和运行参数 泵压： 润滑油粘度( 蜊主轴油) ： 轴颈转速： 环速比： 二、径向部分基本结构参数 1 内膜： 腔数： 直径： 轴向有效工作宽度： 封涮疽左轴向宽度： 掳 腔周向包角； 葫 膣啁向包角： 深腔深度： 浅腔深度： 油膜宜径间隙： 14 1 , 6 m p a 4 4 7 5 xl o jp a s 1 - 6 0 0 0 i p m 0 4 左右 4 7 0 r a m 5 2 r a m 4 r a m 1 5 。 4 5 。 n 0 6 r a m q 0 1 r a m 0 0 4 4 - 0 0 4 5 r a m 4 径一推联合浮环动静压轴承计算结果及分析 2 外膜： 腔数： 直径： 轴向有效工作宽度： 圭椭边轴向宽度： 扬蝴向包角： 深腔周向包角： 深腔深度： 浅腔深度： 油膜直径间隙： 三推力部分基本结构参数 l 内膜： 腔数： 推力环内圆直径： 推力环外圆直径： 油腔外缘半径： 封油盘直径： 深腔宽度： 深腔宽度： 深腔深度： 浅腔深度： 油膜间隙： 2 外膜： 腔数： 推力环内圆直径： 推力环外圆直径： 油腔外缘半径： 封油盘直径： 深腔宽度： 浅腔宽度： 深腔深度： 15 气 8 2 r a m 5 2 r a m 4 m m 1 5 。 4 5 。 0 0 6 m m 0 o l m m 00 4 - - 0 0 4 5 i d _ m 8 7 4 m m 8 0 m m 8 m m l o o m m l o m m 6 r a m 0 0 8 r a m 0 0 2 m m n 0 4 - - 0 0 4 5 r a m m觚帆梳啪衄舳 。蛐；薹|萋一 郑州大学硕士学位论文 测膝深度： 汕膜间隙： 0 0 2 r a m 00 4 - - - 0 0 4 5 r a m 4 2 计算结果分析 4 2 1 径向部分计算结果 程j 耗算足在。叶编译环境。f 运行的，首先输入初始参数值，运算过程中通过自 动寻优来获得平衡点，而各结点的压力值则以数据文件的形式保存下来。 l 径向压办目分布。图4 1 表示轴承径向部分内外碘在相同转速、不j 可鲡d 率下 内外j 测矗力场分布。山此可得：同一转述下随俯嚼啪人压力峰值明显增加，阶梯 效应明显。图4 2 表示在不同转速下径向内外膜压力场分布情况。在小佩心率时随转 速升高乐力峰值增大的幅度不大，而在大筛凸瘁时随转速升高压力峰值明显增大。 糙2 0 i p n 。螂转琏2 咖椰，螂 ( | ) 内膜 l6 转速2 0 0 0 r p m ，= 0 0 8 转速1 0 0 0 r p m 。= 0 1 2 转速2 0 0 0 r i m - e = 0 1 0 外膜 不同僻凸率下内外曦医匀场分柜 ( ) 内膜 l7 转速3 加0 r p m e = 0 0 4 郑州大学硕士学位论文 转速1 0 0 0r p m ，c = 0 1 5 转速3 0 0 0 r p m ，e = o 0 5 ( b ) 外膜 图4 2 不同转速下径向内外彤嘞场分布 2 刃廷陵_ 安斗匕情况。1 霉4 4 3 习示不f 司 速卜j 夺向月i 载力与内夕h g “讳山璋琶贬化关系。 可见，随糟转速确箭和侮心率增大，承载力逐渐增火， ：且倒氐速时承载力随佩l 摔 增火变化较缓，神i 高速时承载力随偏心率增人i 1 1 较 寸曾跃。这是因为低速时利原静压 效应较大，动，& 效应较弱，而在高速时f | j 于深浅腔的阶梯效应明显而使承载力增大较 快。i n 呒论商速还足低速时的承载力均随偷心率增火而增火。 【曩) 内膜 乡h 膜 4 径一推联合浮环动静压轴承计算结果及分析 r 删唧e 堋r p m 3 咖呻- 2 0 0 0 一1 0 0 0 图4 3 径向承筑力与转速、傍阱哪倒斟e 关系 3 摩擦力矩的变化隋况图4 4 表示不同转速下摩擦力矩随偷【j 瘁变化情况。径 向内外膜摩擦力矩均随转速升；留而增大而勘啾时变化较缓，在高速时随倔心 率增大变化较剧烈。 ( a ) 内膜( b ) 夕h 膜