柔性铰链可倾瓦轴承轴颈振动的主动控制研究

发布时间：2020-03-22 00:59

【摘要】：高速回转机器中普遍存在轴颈振动,如转子不平衡所引起的不平衡响应,或者是来自轴承外部直接作用到转子上的瞬变载荷所造成的振动,都是常见的振动形式。当振动过于剧烈而不加控制时,均会对转子的回转精度,产品的加工精度甚至设备的安全运行产生不利影响。尤其在回转机械越来越朝高速、高精度发展的今天,这类振动控制问题越显突出。虽然轴颈振动无法完全消除,但将振动幅值降低到最低限度,对于提高设备运转的安全性,主轴的回转精度及产品的加工精度都具有重要的意义。针对一种瓦块中含有静压腔的柔性铰链可倾瓦轴承,它能够在低速工况下利用静压效应降低主轴磨损,还能利用轴承本身的稳定性机制提高设备运行稳定性。即便如此,主轴在高速或超高速回转时,受外界激励或自身残余不平衡的影响,仍然不可避免地产生振动,虽然轴承(结构)本身所决定的性质使它具有一定的振动抑制能力,但毕竟有限,需要外界对它施加主动控制来进一步抑制。为此,本文围绕这个轴承开展轴颈振动主动控制研究,主要内容、方法和得出的结论如下:(1)首先点明课题研究的目的以及意义;其次介绍国内外相关研究现状,包括转子振动主动控制的发展,主动控制器的主要类型和转子振动主动控制的主要方法;最后说明本文主要研究内容。(2)轴承结构的介绍、数学模型的建立以及轴承响应计算。(3)从轴承的主要结构参数入手,研究阶跃载荷的冲击影响下,结构参数与轴颈振动情况之间的关系,寻找降低轴颈振动的方法。仿真结果表明:适当地减小轴瓦半径间隙或增大预载荷系数,能够降低轴颈振动,在轴承设计阶段应慎重选择这两个参数。(4)研究不平衡响应的主动控制方法。提出两种主动控制方法:(一)主动改变转子所受向心力,使其轴心轨迹收敛的不平衡响应控制方法。提出轴承-转子系统的简化方法,分析控制力的施加方案及其计算方法,考虑到轴心处于不同位置时的油膜刚度不同,文中采用轴心处于静平衡位置处的刚度作为控制区的刚度值,以简化控制力的计算。仿真结果显示:当不平衡量为0.3或0.5时,采用单方向控制法均能将转子x和y方向的振动幅值抑制70%左右;而双向控制大约为90%。(二)加大不平衡轨迹中心至坐标原点距离,提高油膜刚度,实现对不平衡振动的抑制。该方法仍然基于简化的系统模型,推导系统的运动微分方程并得到其标准传递函数;研究控制轴心位置的方案,采用拟合法获取轴心定位方程。仿真结果表明:轴心定位方案能达到较为精准定位控制,不平衡振动的抑制效果明显,轴心x、、y方向的振动幅值均被抑制90%左右。(5)分析控制方法的实现方式,得出:通过控制可倾瓦轴承的瓦块摆角以获得目标控制力的方式可能控制能力有限,而采用电磁致动器的方式能够输出相对及时、准确的控制力,但要考虑它的安装以及对轴承系统带来的影响等问题。就控制效果和可行性上对两种控制方法进行分析,两种方法对于不平衡响应的抑制效果都很显著,均能达到90%左右;可行性上,前者对系统装置响应快速性、可靠性等要求较高,后者准备工作较长,其中油膜刚度的精确计算有一定难度。分析两种方法存在的不足,得出由于两种的方法都是将问题分析简化,模型建立会与实际模型存在差异,方程建立上也会缺少某些关键参数,这难免会导致控制的精度和效果与实际情况存在一定差异。
【图文】：

瓦块,可倾瓦轴承,柔性铰链,静压

包括瓦块的摆动规律以及轴心轨迹等。采用的仿真软件是Ｍａｔｌａｂ软件。逡逑２．１轴承结构逡逑图２－１给出了瓦块中部含有静压腔的柔性铰链可倾瓦轴承模型。轴承包含４逡逑个均匀分布的瓦块，静压腔开设在瓦块中部；柔性铰链作为桥梁将瓦块和轴承体逡逑连成一体且位于瓦块中间；柔性铰链中有一条贯穿的细圆孔（／。／＜＞２０），将腔逡逑体与外部供油系统联通，不但能给腔内供油，，还能作为毛细管节流器。轴承能够逡逑在主轴低速阶段充分利用静压腔的静压承载力，尽量降低主轴磨损［６１］；流过瓦块逡逑的润滑油流量也会增大，有利于降低轴承温度［６２］。逡逑轴承体逡逑：惑逡逑图２－１瓦块中部带有静压腔的柔性铰链可倾瓦轴承逡逑９逡逑

计算模型,瓦块

２．２轴承响应计算逡逑２．２．１数学模型逡逑图２－２ａ给出了轴承结构模型示意图，值得注意的是为了方便问题的分析以逡逑及仿真编程，将习惯的ｘ轴和；；轴的位置互换，如图中所示，但这不影响图的阅逡逑读。以轴承中心０为坐标原点；０为轴承上的圆周坐标；／？为支点（柔性铰链）逡逑的圆周位置坐标；０为瓦块绕其支点的摆角；？为转子角速度。图中所有的角度逡逑均己逆时针为正。载荷作用于瓦块的中间。图２－２ｂ给出了瓦块的内表面结构。逡逑其中％分别为瓦块的起始角与终止角；片，片分别为静压腔的起始角与终逡逑止角；（，／２分别为轴承Ｚ方向静压腔的起始坐标与终止坐标。矩形静压腔位于逡逑瓦块的中部，其四周为瓦块封油面。逡逑＼邋轴承体逦逦：逦：逦逡逑Ｉ＇逦0ｉ逦Ｍｉ逦ａ，逡逑（ａ）轴承几何结构模型逦（ｂ）瓦块内表面几何结构逡逑图２－２计算模型［６３］逡逑图２－２ａ所示的几何关系，瓦块封油面和转子之间的油膜厚度计算式为逡逑ｈ邋＝邋Ｃ邋＋邋ｘｃｏｓ６＋邋ｙｓ＼ｎ６－ｒｍ邋ｃｏｓ｛６－Ｊ３）－ｒｔｐｓｉｎ（０－／３）逦（２－１）逡逑式中：ｊｃ、ｙ为轴心坐标；＆为预载荷半径；ｒ为转子半径。等号两边同时除以Ｃ，逡逑得其量纲一式逡逑Ｈ邋＝邋＼邋＋邋Ｘ邋ｃｏｓｄ邋＋邋Ｙ邋ｓｍ６邋－邋Ｍ邋ｃｏｓ｛ｄ邋－邋Ｐ）－—ｓ
【学位授予单位】：山东大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TH133.3

【参考文献】