答辩公告

学位论文简介

气体箔片轴承支承的转子系统具有耐高温、高转速、高效率、清洁无污染、长寿命、使用成本低等特性。但气体箔片轴承的几何和结构参数都会不同程度影响轴承的特性，导致气体箔片轴承提供给转子系统非线性支承力。同时，转子系统受到陀螺效应、静载荷和不平衡载荷作用时也会产生复杂的动力学行为。以上两点就导致了气体箔片轴承支承转子系统具有复杂的非线性振动特性，这限制了气体箔片轴承在各技术应用领域的推广。本文针对以上问题结合气体箔片轴承和转子常见的参数设计了不同的测试实验并建立对应的理论计算模型，对气体箔片轴承支承转子系统非线性振动特别是次同步振动的机理进行了深入分析。本文主要研究工作结论和创新点如下：

（1）对名义间隙和箔片结构对气体箔片轴承支承转子系统的作用进行了实验研究。总结了静态推拉实验过程中名义间隙确定的基本过程，并提出基于箔片轴承非线性承载力变化相关的名义间隙判断标准。设计了两组不同名义间隙气体箔片轴承支承转子系统的自由降速实验，建立了转子系统转速分析和振动信号联合时频分析方法。建立了基于刚度串联的气体箔片轴承和气体箔片轴承支承转子系统的评估模型，并对振动中的次同步成分出现的机理进行了分析，并将与此相关的次同步振动中不跟随转速变化的并将其定义为箔片振荡。分析了实验中温度时间历程、顶箔表面和转子轴表面磨损情况，讨论名义间隙和气体箔片轴承的温升和顶箔表面磨损情况之间关系。

（2）深入研究了气体箔片轴承参数对转子响应作用机理，建立了气体箔片轴承支承转子系统刚度评估模型。建立了基于Link-Spring模型的箔片结构理论模型并同压缩润滑气体的雷诺方程耦合求解了气体箔片轴承的动态轴承系数，计算结果分析了轴承名义间隙对动态系数的影响。建立了基于剪切梁理论的有限元转子动力学程序，结合求解得到的气体箔片轴承动态系数对转子系统进行了线性模态分析，计算得到的同步振动响应幅值和次同步频率比都和实验数据比较吻合。建立了基于刚性气膜假设的气体箔片轴承非线性承载力模型，使用静态推拉实验数据修正后对转子系统箔片振荡振动的幅值、频率和激发转速都有比较符合实验结果的预测，进一步说明了实验分析中提出的气体箔片轴承支承转子系统评估模型的有效性。

（3）建立了气体箔片轴承支承转子系统瞬态动力学模型。建立了波形结构并联评估模型很好的简化了箔片结构非线性承载力分析，建立了箔片结构和润滑气膜的串联评估模型很好的简化了气体箔片轴承的非线性承载力分析。首次从理论上将气体箔片轴承支承转子系统非线性振动分为气膜涡动和箔片振荡两类。同时研究了气体箔片的轴承波箔刚度、名义间隙、结构损失因子和静载荷等对转子系统非线性振动影响的参数化分析，利用轴心轨迹图、庞加莱图和幅值谱等工具分析各参数对气体箔片轴承支承转子系统中次同步振动的频率、幅值和振型的影响。

（4）通过实验方法研究了静载荷和不平衡载荷对气体箔片轴承支承转子系统的影响。设计了气体箔片轴承支承转子系统的静载荷和不平衡载荷的加载装置。进行了不同静载荷和不同平衡载荷条件下转子系统的自由降速实验。在气体箔片轴承支承转子系统中，静载荷和不平衡载荷可以增加气体箔片轴承的刚度，并导致系统峰值响应转速升高，甚至将转子系统的固有频率升高到润滑气膜切向力激励频率，引发转子系统次同步振动。静载荷和不平衡载荷可以引起气体箔片轴承支承转子系统大振幅的次同步振动是首次在实验中被发现。构建了转速与各零部件之间阻力矩之间的关系，发现了静载荷增加会转子自由降速时间变短，不平衡载荷增加时则转子自由降速时间几乎不受到影响。

（5）通过理论计算方法研究了静载荷和不平衡载荷对气体箔片轴承支承转子系统非线性振动的影响。根据动力学静态减缩方法，建立实验转子系统的动力学求解模型静态减缩的具体实施过程，同时给出了二阶瞬态动力学方程求解的威尔逊-西塔法具体推导，降低气体箔片轴承支承转子瞬态动力学的求解时间成本和计算程序的稳定性。通过与转子系统在实验测试数据对比证明转子瞬态系统动力学模型的有效性。通过模拟不同静载荷和不平衡载荷作用下气体箔片轴承支承转子系统的非线性振动响应，从理论上确立了增加静载荷和不平衡载荷可以增加轴承瞬时刚度并导致转子系统发生次同步振动的机理，并从理论上分析出实验中暂时无法测试的部分实验现象用于指导实践。

主要学术成果

[1]Guo Z, Cao Y, Feng K, et al. Effects of static and imbalance loads on nonlinear response of rigid rotor supported on gas foil bearings[J]. Mechanical Systems and Signal Processing, 2018. (Under Review)

[2]Guo Z, Feng K, Liu T, et al. Nonlinear dynamic analysis of rigid rotor supported by gas foil bearings: Effects of gas film and foil structure on subsynchronous vibrations[J]. Mechanical Systems and Signal Processing, 2018, 107 549-566. (SCI, TOP)

[3]Guo Z, Lyu P, Feng K, et al. Measurement and prediction of nonlinear dynamics of a gas foil bearing supported rigid rotor system[J]. Measurement, 2018, 121 205-217. (SCI)

[4] Feng K,Guo Z. Prediction of Dynamic Characteristics of a Bump-Type Foil Bearing Structure with Consideration of Dynamic Friction[J]. Tribology Transactions, 2014, 57 2: 230-241. (SCI)

[5] Dai H,Guo Z, Lei Y. Nonlinear dynamic response of functionally graded materials circular plates subject to low-velocity impact[J]. Journal of Composite Materials, 2013, 47 22: 2797-2807. (SCI)

[6]郭志阳,关汗青,胡小强,等.静载荷对气体箔片轴承-转子系统影响的实验与理论研究[C],第十二届全国气体润滑、干气密封及微低重力学术会议论文集, 2018.（优秀会议论文）