波箔动压气体轴承性能分析与结构参数优化

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波箔动压气体轴承是当今研究和使用最多的动压气体轴承。其具有显著的性能优势,例如高转速、结构紧凑、安全绿色运行以及节省维护成本,在实际中得到了广泛的应用。因为波箔动压气体轴承自身的润滑特性,导致其自身的承载能力相对较小以及可能会出现的大振幅的次同步振动,这会降低轴承的运行稳定性,严重时导致设备失效。为了有效的解决上述问题,需要对轴承的承载性能和动态特性展开研究,以提高轴承的承载能力和运行稳定性。本文以箔片动压气体轴承为研究对象,基于ANSYS Workbench仿真平台,搭建了波箔动压气体轴承的双向流固耦合分析模型,对气膜流场压力分布和弹性箔片结构之间的双向流固耦合作用进行仿真。通过ANSYS Workbench平台上的双向流固耦合仿真模块,考虑湍流润滑、气膜流场压力分布和弹性箔片结构之间的双向流固耦合作用,对波箔动压气体轴承的气膜压力分布和承载力进行模拟仿真,研究波箔动压气体轴承在不同转速和波箔片结构参数(波箔的长度比、波箔片厚度以及波箔片高度)条件下的静态特性规律,实现基于轴承承载力最大的结构优化。在稳态仿真计算的基础上,借助于流体求解器中的6DOF动网格计算方法,对箔片动压气体轴承的动态特性进行仿真分析,计算轴承的轴径气膜力、位移、速度值等参数,进而对轴承的动态特性系数进行求解计算。研究波箔动压气体轴承在不同转速和波箔片结构参数(波箔的长度比、波箔片厚度以及波箔片高度)条件下的动态特性规律,实现基于轴承动态特性系数最大的结构优化。搭建了轴承性能测试试验台,搭建的轴承测试试验台由高速电主轴驱动系统、被测轴承、加载系统、数据采集与处理系统四部分组成。通过展开相关实验与仿真结果进行对比,验证了流固耦合数值模型及其仿真计算结果的正确性。并为相似结构特点的元器件设计提供了新的思路。
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