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原文传递动压空气箔片轴承静力学特性与热特性分析

论文题名：	动压空气箔片轴承静力学特性与热特性分析
关键词：	燃料电池汽车;空压机;动压空气箔片轴承;静特性;热特性
摘要：	动压空气箔片轴承因具备无油润滑的特性成为实现燃料电池汽车空压机纯净供气的首选解决方案，对提升燃料电池可靠性及进气纯净度有关键作用，并且影响整车性能。因此，针对适用于燃料电池空压机的动压空气箔片轴承的研究逐渐成为行业内关注的热点。针对动压空气箔片轴承稳态运行中发生的复杂耦合现象，本文建立了包含箔片接触力学特性的弹性流体动力学模型以及轴承系统的热分析模型，通过数值模拟计算，实现了对动压空气箔片轴承静特性和热特性的预测，探究了转子转速、载荷、摩擦系数和气膜厚度等参数对箔片变形和轴承系统温度分布的影响规律，为动压空气箔片轴承的研发和应用奠定了理论基础。　　本文通过采用增广拉格朗日法，耦合了箔片以及轴承组件之间的摩擦和接触，修正了罚函数法存在的接触面之间发生的穿透问题，建立了动压空气箔片轴承的弹性流体动力学模型，涵盖了箔片之间的相互作用，实现了对轴承稳态运行情况下发生的箔片变形、塌陷和翘曲以及轴承最小膜厚和偏位角的预测，并与公开的实验数据进行了对比验证，在较大工况范围内，计算值与实验结果都符合地较好。此外，本文将黏度、密度、热容、导热系数、正切热膨胀系数和杨氏模量等物性参数设置为温度的函数，耦合至固体及流体的能量方程中，并根据轴承和转子不同位置处传热方式的差异，分别赋予其不同的热边界条件，涵盖了轴承系统内的主要传热路径，建立了动压空气箔片轴承的热分析模型，并与实验进行了对比验证，二者符合程度较好。　　本文研究了稳态运行条件下，转子转速、轴承各组件之间的摩擦系数以及载荷等参数对箔片位移的影响规律。结果表明：箔片的径向位移在轴承两端处最小，在轴承中部位置最大，远离最大压力处的顶部箔片的径向位移沿着轴承宽度方向的变化较为平缓；增加转速后，最大流体压力增加，并且其作用位置发生偏移；当箔片之间的摩擦系数μ1为0.1时,增加波形箔片与轴承套之间的摩擦系数μ2使压力峰值处顶部箔片的横向位移增加了20.9%，使压力峰值处顶部箔片的纵向位移和波形箔片的横向位移分别减小了8.9%和53.2%，使波形箔片最大纵向负位移减小了31.7%，当μ1为0.2时，增加μ2抑制了顶部箔片的横向位移和纵向位移，使波形箔片发生横向负位移的区域增加了37.8%，当μ1为0.3时，波形箔片的横向位移和纵向位移已经十分小，其位移曲线靠近x轴震荡，增加μ2对顶部箔片的纵向位移影响不大；增加载荷减小了固定端处波形箔片的纵向位移，载荷相同时，各组件之间摩擦系数的相对大小影响箔片位移的大小和方向。　　基于动压空气箔片轴承的热分析模型，本文研究了转速、气膜厚度以及载荷等参数对轴承系统温度场分布及气膜粘性耗散的影响规律。结果表明：增加转速、增加载荷或减小膜厚均会增加轴承系统内的最高温度和粘性耗散；与20000r/min的转速相比，当转速提升至30000r/min和40000r/min时，最大粘性耗散分别增加了67.4%和179.4%；由于波形箔片与顶部箔片的接触区域面积比较狭窄，导致其温度曲线并不光滑，存在局部波动，但是在轴承套和转子的外侧，由箔片结构特殊性产生的温度曲线的波动有所缓解，温度曲线重新恢复光滑；增加载荷只增加了原本高温度区域的最高温度和高温区域面积，对低温度区域的影响较小。
作者：	周泽原
专业：	动力工程及工程热物理
导师：	贾和坤
授予学位：	硕士
授予学位单位：	江苏大学
学位年度：	2022