- 冯凯;关汗青;
回顾了箔片气体轴承的起源、发展、应用和研究成果，讨论了考虑箔片结构之间复杂相互作用关系的箔片气体轴承的力学模型，总结了基于提高箔片结构阻尼和削弱支承气膜连续性两方面来提高支承转子稳定性的箔片气体轴承结构改进，论述了基于主动供气、磁气混合轴承、可控预载和可控刚度阻尼的主动箔片气体轴承，并结合现有研究成果提出了箔片气体轴承在预测轴承性能模型、量化表征轴承结构改进和轴承结构智能化的发展方向。
2022年10期 No.515 1-12页 [查看摘要][在线阅读][下载 946K] - 李长林;杜建军;李洁;徐珍妮;
箔片气体动压轴承是具有弹性箔片结构支承的自作用气浮动压滑动轴承，其性能很大程度上取决于箔片结构的力学特性，建立准确的箔片结构力学模型对于箔片气体动压轴承静动态特性、支承转子动力学响应的预测与分析具有重要意义。针对国内外不同类型箔片气体动压轴承的力学建模研究进行了归纳总结，发现箔片结构力学模型经历了从简化到完备的发展，已能够求解多维度的箔片变形分布、内部库仑摩擦力以及变接触状态下的非线性箔片刚度。通过结构有限元法与接触力学数值算法的有机结合能够对更加复杂且包含非线性接触约束的箔片结构进行精细建模，从而计算得到更准确的箔片轴承性能参数。另外，考虑箔片结构制造误差与转子起飞过程也是箔片轴承力学建模的一个发展方向。
2022年10期 No.515 13-18+32页 [查看摘要][在线阅读][下载 231K] - 赵琪;侯予;强铭琛;陈双涛;赖天伟;
气体箔片轴承承载特性对轴承-转子系统的可靠性和稳定性有较大影响，以应用最广泛的波箔型气体轴承(径向波箔气体轴承和止推波箔气体轴承)为研究对象，分别从理论研究和试验研究2方面介绍了轴承承载力的研究成果：波箔轴承承载力理论计算模型经历了从简化到完备的发展，已能够求解考虑边界滑移、库仑摩擦力以及不同润滑介质条件下轴承的承载力，通过气-弹-热的简单耦合能够分析气体黏性剪切发热对轴承承载力的影响；不同结构形式的波箔轴承试验表明轴承安装间隙、箔片表面摩擦学特性、轴承冷却流道等会影响轴承承载力。结合现有研究成果提出建立气-弹-热完全耦合的箔片变形求解模型以及改进箔片轴承的冷却流道以减少发热失效是未来研究方向。
2022年10期 No.515 19-24页 [查看摘要][在线阅读][下载 248K] - 周如能;顾永鹏;任革学;于溯源;
波箔动压气体轴承箔片结构中的摩擦直接决定了其等效刚度和阻尼特性，进而影响轴承性能。对比分析了全耦合求解框架系统建模中常用的LuGre动态摩擦模型和平滑近似代数摩擦模型在程序实现、稳态特性以及性能预测方面的差异，结果表明：LuGre动态摩擦模型可以准确地表征黏着状态，预测结果准确，且计算效率较高，但会增加系统自由度，导致程序实现复杂；平滑近似代数摩擦模型不会增加系统自由度，程序实现简单，且在低速准静态或低摩擦因数、大扰动等以滑移为主的工况下预测结果准确，但由于无法准确表征黏着状态，在高摩擦因数、小扰动等以黏着为主的工况下预测结果偏差较大，且计算效率较低。
2022年10期 No.515 25-32页 [查看摘要][在线阅读][下载 359K] - 张璐瑶;贾晨辉;臧腾飞;刘恒;刘书明;
基于轴承-转子系统的非线性响应，搭建箔片动压气体轴承-转子系统振动试验平台，结合时域图、频谱图、轴心轨迹图和时间-频率-幅值三维谱图分析轴承-转子系统升、降速过程中运行状态的变化情况，研究轴承-转子系统运行过程中的非线性振动特性以及升、降速率对低频振动的影响。试验结果表明：在箔片动压气体轴承转子系统升、降速过程中，较高的升速率和较低的降速率均可以有效抑制低频能量的聚集，减小或者避免低频振动的产生；较高的升速率可以提高锁频振动发生时的工频，较低的降速率能够在工频较高时结束锁频振动现象。
2022年10期 No.515 33-39页 [查看摘要][在线阅读][下载 949K] - 程文杰;柯涵章;肖玲;李明;
气体箔片轴承的动态特性系数(动态刚度系数和动态阻尼系数)是该类轴承支承转子系统的瞬态动力学计算和稳定性分析的重要参数，针对传统基于摄动法的动态特性系数计算仅考虑单个涡动比，提出基于轨迹法的动态特性系数辨识方法，对转子施加简谐激励，联立气膜雷诺方程和转子运动方程得到转子的轴心轨迹，采用线性简谐激振法和简谐激振法辨识出轴承的动态特性系数。以某气体箔片轴承为例，采用线性简谐激振法、简谐激振法对其动态特性系数进行计算，计算结果与摄动法均存在一定的差距，但对于气体箔片轴承在可接受范围之内。
2022年10期 No.515 40-47页 [查看摘要][在线阅读][下载 480K] - 曹远龙;刘亚春;伍奕桦;
采用壳单元模型模拟箔片结构，考虑箔片在气膜压力作用下的凹陷和运动，以及波箔、顶箔和轴承套之间的相互作用，耦合有限差分法求解雷诺方程，建立预测箔片气体动压轴承性能的仿真分析模型。通过试验验证了理论模型的正确性，并分析了轴承的静、动态特性，结果表明：随载荷增大，偏心率增大，姿态角减小；随转速升高，偏心率和姿态角减小；随轴承长径比增大，偏心率减小，姿态角增大；随间隙比增大，偏心率和姿态角增大；随载荷增大，动态直接刚度系数明显增大，动态直接阻尼系数出现波动；随波箔凸起周向间隔角增大，动态刚度系数变化不大，在低载荷下动态阻尼系数变化不大，在高载荷下有一定变化；随顶箔、波箔厚度增大，动态刚度系数和动态阻尼系数变化不大；随轴承长径比增大，动态直接刚度系数和动态直接阻尼系数明显增大，交叉刚度系数减小；随间隙比增大，动态直接刚度系数和动态直接阻尼系数减小。
2022年10期 No.515 48-55页 [查看摘要][在线阅读][下载 366K] - 侯留凯;郝开元;
根据波纹型止推箔片轴承的结构建立了求解轴承特性的雷诺方程、气膜厚度方程、箔片变形方程，编写计算程序对外径30 mm、内径12 mm的轴承进行仿真分析，研究节距比、楔形高度、轴承扇形瓦块数对轴承静态特性的影响，结果表明：节距比为0.5、楔形高度为20μm、扇形瓦块数为6时，轴承承载力较大且摩擦力矩较小，整体性能最优。
2022年10期 No.515 56-61页 [查看摘要][在线阅读][下载 622K] - 许浩杰;杨泊莘;安琦;
以波箔型气体箔片推力轴承为研究对象，运用弹性力学理论构建了箔片结构的受力变形模型，在考虑黏温效应的条件下，耦合求解了可压缩气体雷诺方程及能量方程。将数值模拟得到的顶箔和推力盘的微观粗糙表面引入计算模型，提出了一种考虑表面粗糙度的气体箔片推力轴承润滑性能数值计算方法。通过对具体算例的研究，绘制了轴承气膜压力、气膜厚度、气膜温度及箔片结构变形量的分布图，并通过粗糙度与气膜厚度和箔片变形之间的定量对比说明了考虑表面粗糙度的必要性。研究结果表明：推力盘表面粗糙度越大，最大气膜压力、最小气膜厚度、黏性摩擦力矩和端泄流量的波动越明显，而顶箔粗糙度的影响相对较小；两粗糙表面的高度组合越大，最大气膜压力和黏性摩擦力矩的平均值越大，最小气膜厚度和端泄流量的平均值越小；提高转速可减小最大气膜压力的平均值，并增大最小气膜厚度、黏性摩擦力矩和端泄流量的平均值。
2022年10期 No.515 62-69页 [查看摘要][在线阅读][下载 747K] - 蔡照远;吴旭东;
为分析转子三维偏心下气体箔片轴承的静、动态承载特性，通过引入2个偏心角来描述转子三维偏心状态，并建立了三维偏心下气体箔片轴承的静、动态承载特性及轴承-转子系统动力学计算模型。以某气体箔片轴承为例，分析了其静、动态承载特性及转子动力学特性，结果表明：转子的三维偏心会导致气膜力分布在轴向上偏移；随转速增大，气膜的各向等效刚度、等效阻尼均不接近于0;随偏心角增大，气膜的各向等效刚度、等效阻尼近似呈指数增大；转子的运转从初始的三维偏心过渡至稳定时的二维偏心，最终在平衡位置处以低频、小振幅的振动形式稳定运转。
2022年10期 No.515 70-75+85页 [查看摘要][在线阅读][下载 421K] - 关汗青;冯凯;
在气体箔片轴承内添加压电陶瓷块和金属丝网块改进主动气体箔片轴承(AGFB)的结构，通过压电陶瓷块实现轴承径向预载的主动控制，同时通过金属丝网块提高轴承结构阻尼。首先，为了分析主动气体箔片轴承弹性结构的力学性能，提出耦合压电陶瓷块-金属丝网块子结构、波箔和顶箔的弹性结构力学模型；其次，采用耦合弹性结构力学模型和可压缩气体雷诺方程预测了主动气体箔片轴承的静态和动态特性；最后，针对不同参数对轴承动态性能的影响进行参数化讨论。结果表明：金属丝网块的过盈量和相对密度以及电压的增大均会导致轴承的动态直接刚度和阻尼系数增大，较小的名义间隙会导致轴承的动态直接刚度和阻尼系数较大。
2022年10期 No.515 76-85页 [查看摘要][在线阅读][下载 512K] - 石明辉;郭红;张绍林;宋德红;
针对挤压膜气体轴承悬浮力小的问题，将表面凸台引入挤压膜气体轴承，考虑表面凸台及轴承结构模态振型建立了时变及非稳态的挤压膜气体轴承运转特性分析模型，为解决凸台轴承气膜厚度分布不连续带来的求解困难问题，采用八点离散法对模型离散求解，进而开展该类轴承的承载特性分析。首先分析了光滑轴承和表面凸台轴承的气膜厚度和气压分布，然后分析了凸台参数、安装方式及运转方式对轴承承载特性的影响，结果表明：凸台的引入改变了气膜厚度的分布，提高了气膜压力峰值；悬浮力随台高、台宽、台数及驱动电压增大而增大；LOP型安装方式悬浮力大于LBP型；混合模式下的悬浮力大于纯挤压模式。
2022年10期 No.515 86-92页 [查看摘要][在线阅读][下载 856K] - 李青松;张珂;燕震雷;
以可倾瓦气体轴承为研究对象，考虑滑移效应对可倾瓦动压气体轴承的气膜压力分布和承载力的影响，在1阶滑移和WU新滑移速度边界条件下推导修正雷诺方程的基础上，使用有限差分法求解不同瓦块偏心率、轴承数下的承载力。结果表明：随着偏心率、预载系数、轴承数的增大，轴承承载力增大；滑移边界条件下计算出的可倾瓦动压气体轴承的承载力显著降低；相同条件下，基于WU新滑移边界模型计算所得承载力最小，结果明显低于连续介质模型和1阶滑移模型。
2022年10期 No.515 93-104页 [查看摘要][在线阅读][下载 836K] - 丁浩;高强;冯伟;刘保国;李行雨;
为分析表面微织构对气体动压轴承承载性能的影响，基于微观分子动力学的Lattice Boltzmann Method(LBM)建立气体动压轴承计算流体动力学模型，采用XFlow软件计算其承载力，并分析了微织构形状和深度对气体动压轴承承载力的影响，结果表明：三角形微织构轴承承载力优于正方形、半圆形微织构轴承，微织构深度取76μm最佳。
2022年10期 No.515 105-110+132页 [查看摘要][在线阅读][下载 1175K] - 韩东江;陈策;杨金福;
搭建了气体轴承-高速转子系统基础试验平台，研究了轴承参数和轴系运动参数对转子非线性动力学行为的影响规律。对小孔节流静压气体轴承的试验表明：轴承供气压力的变化能够抑制轴系半速涡动、气膜振荡等低频振动，提高轴系稳定运行转速；基础阻尼特性的改变可调整转子系统的刚度与阻尼特性，增强抗干扰能力，抑制并推迟低频振动的发生；合理的转子升速率可使转子在升速过程中工频振动幅值最小；在气体轴承支承的微型燃气轮机用高速发电机上，接入负载的增加可能会导致设备转子系统稳定性阈值降低，非线性特性增强。
2022年10期 No.515 111-116页 [查看摘要][在线阅读][下载 501K] - 张珂;刘大鹏;
为探究静压球面气体轴承的工作特性，以单供气孔静压球面气体轴承为研究对象，建立轴承的气膜模型，使用有限元软件进行仿真计算，研究球窝包角、平均气膜厚度、供气孔直径和供气压力对轴承承载力、耗气量和气膜间隙内最大气流速度的影响规律。结果表明：球窝包角越大，轴承的承载力越大，球窝包角的变化对轴承耗气量和气膜间隙内最大气流速度影响很小；平均气膜厚度越小，轴承的承载力越大，轴承的耗气量和气膜间隙内气流最大速度越小；供气孔直径越大，轴承的承载力和耗气量越大，气膜间隙内最大气流速度越小；随着供气压力的增加，轴承的承载力、耗气量和气膜间隙内最大气流速度均增加。
2022年10期 No.515 117-122页 [查看摘要][在线阅读][下载 360K] - 高浩;龙威;辛晓承;王萍;刘云龙;
基于气体润滑理论和空气动力学的基本原理，建立气体静压径向轴承的气膜数学模型，通过数值分析和试验相结合的方法，分析了不同供气压力、偏心率、转速时，双向流固耦合和流固热耦合作用对气体静压径向轴承承载力和刚度的影响规律。通过理论分析，明确了高速电主轴气体轴承工作过程中压缩热和摩擦热的形成机理和持续局部温升对气膜和固体边界的协同耦合作用机制；借助数值计算，描述了气膜内部气动热温度场(供气孔出口压缩热和气膜入口的摩擦热)对气膜流场特性和固体边界的作用效果。
2022年10期 No.515 123-132页 [查看摘要][在线阅读][下载 580K] - 谷礼新;史龙飞;杨彦涛;黄志伟;
通过仿真与试验对纯动压、纯静压、动静压气体径向轴承的静态性能进行了对比分析，得到了轴颈转速、偏心率、气膜的动压效应和静压效应对轴承静态承载力和静态刚度的影响规律。随着转子转速或轴承偏心率的增大，动静压轴承的径向承载力逐渐增大；当转子转速较小时，气膜的静压效应起主导作用，静态刚度随动静压轴承偏心率增大而减小；当转子转速较大时，气膜的动压效应起主导作用，静态刚度随动静压轴承偏心率的增大而增大。
2022年10期 No.515 133-136页 [查看摘要][在线阅读][下载 208K] - 王志成;刘雨航;沈小燕;白科研;李东升;
利用COMSOL仿真软件建立可倾瓦径向节流器气体流域仿真模型，在供气压力为0.3～0.6 MPa,气膜厚度为5～25μm条件下，研究可倾瓦径向节流器的结构参数和供气压力对节流器静态性能的影响，结果表明：均压槽能够明显提高节流器的承载能力；承载力和刚度随着供气压力的增大而增大；承载力随偏心率(0～0.9)、节流孔孔径(0.1～0.3 mm)的增大表现为先增大后减小，刚度表现为先减小后增大；气膜间隙较小时(5～10μm),槽长、槽深的增加可以明显提高承载力和刚度；槽宽(0.2～0.6 mm)对节流器承载力和刚度的影响效果不显著。
2022年10期 No.515 137-142页 [查看摘要][在线阅读][下载 478K] - 竺志大;唐率;寇海江;柴青;曾励;
为解决气体轴承或磁悬浮轴承独立作为高速电主轴支承时存在的不足，将静压气体轴承和主动磁悬浮轴承结合形成可控性好的气磁悬浮混合轴承，构建了气磁轴承支承的新型高速电主轴系统并提出了协同控制，仿真分析与试验结果表明：协同控制下，气磁轴承支承高速电主轴的响应速度快，抗干扰能力强，具有良好的稳态特性和动态特性，控制效果优于PID控制。
2022年10期 No.515 143-151页 [查看摘要][在线阅读][下载 577K] - 赵岩庆;王子羲;郭辉;孙凤;姚佳康;
为解决高速电动机风磨损耗大，高速时转子所受机械应力大，滚动轴承发热严重等问题，提出了一种以气浮轴承为关键支承技术的超高速实心转子电动机结构，在高真空环境下计算其各部分损耗及瞬态热，通过有限元分析了电动机主要部分温度分布，结果表明：电动机转速1.0×10~5 r/min时，电枢绕组、励磁绕组、转子的最高温度在允许范围内，验证了高真空环境下以气浮轴承为支承技术的超高速实心转子电动机结构的可行性。
2022年10期 No.515 152-157页 [查看摘要][在线阅读][下载 269K]