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波箔型止推轴承建模及结构参数优化

摘 要: 波箔型止推轴承（GFTBs）是柔性流体动压轴承，广泛应用于微型涡轮机械中，用于承受转子轴向载荷并保持转子的姿态。与传统的油润滑滚动轴承相比，GFTBs具有无油润滑、功率损耗较低、耐高温、自适应性好等优点。随着涡轮机械的高速化和大型化发展，如何提高GFTBs的轴向承载能力函待解决。本文基于Reissner–Mindlin Shell理论使用9节点等参单元对箔片结构建立了完善的理论模型，不同于广泛使用的波箔等效弹簧刚度模型或其他简化模型，本文提出的模型充分考虑了箔片的实际构型、结构间的库伦摩擦力、各结构间的接触/分离状态等，通过与实验数据对比，验证了该模型的准确性。应用该模型对GFTBs的静态特性进行了分析，重点研究了箔片结构参数对承载力的影响、GFTBs的承载机理、提高承载力的方法等。研究结果表明增大平箔厚度能够减小“凹陷效应”，气膜压力分布更加均匀，从而增大极限承载能力；波箔是结构刚度的主要来源，在给定最小气膜厚度的情况下，较薄的波箔会导致承载能力的降低，但其自适应性更好。箔片结构参数一定时，倾斜段高度存在最优值，使得承载力最大，并且这一最优值随转速的增大而增大。一般情况下，气膜压力的峰值出现在倾斜段与水平段交界处，随着转速的不断升高，气膜出口附近由于与外界大气相连，箔片变形较小使得气膜较薄，导致该处气膜压力较高。局部气膜压力过高，容易引发轴承磨损甚至失效。调整波箔布局能够有效改善这一情况，如：减小这两处的波箔高度，将平箔与波箔的固定端设置在相反两侧等。综上，本文研究成果可为波箔型止推轴承结构参数优化以及新型止推轴承结构设计提供参考。