超声波悬浮机理及其在转子系统振动抑制中的研究

发布时间：2017-10-31 03:33

  本文关键词：超声波悬浮机理及其在转子系统振动抑制中的研究

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【摘要】：为了提高效率,现代旋转机械转静子间的间隙越来越小,从而可能在运行中出现转静子的接触和摩擦。这里称转静子接触的部位为旋转接触面。接触面间的摩擦会导致接触面间产生磨损和发热,从而对转子系统造成很大的危害。随着旋转机械工作转速越来越高,摩擦造成的危害会更加突出。近年来,超声振动引起的悬浮和减摩效应作为一种新颖的降低摩擦力的方法得到广泛关注。当两个物体接触时,如果对其中一个表面施加超声振动,则会产生近场声悬浮力使一个物体脱离另一个物体,从而避免摩擦。超声能产生的单位近场悬浮力仅次于磁悬浮能力,而远大于空气悬浮、光悬浮等其他方式。利用超声悬浮减摩机构实现对旋转机械其他各种常见故障如不平衡、不对中等的控制或抑制。本文从超声波气体挤压膜悬浮能力的研究出发,以雷诺方程求解超声波挤压膜为基础。用超声波挤压膜非接触力来抑制偏心转子不平衡振动。采用微元法、二阶近似求解法、高阶有限差分法、Newmark-β法与Newton-Raphson法与仿真模拟和模型实验相结合的办法,对超声波挤压膜减摩和悬浮特性进行理论与实验研究,同时对利用超声波挤压膜非接触力抑制转子不平衡振动进行深入研究。本文的主要工作包括以下几个方面：首先,通过解析解和数值解两种方法对超声波挤压膜进行求解,主要从气体润滑原理出发对超声波挤压膜进行理论计算。从微元法的角度出发对粘性流体动力学连续性方程进行简化求解,运用二阶近似法求解出气体挤压膜的解析解,并运用有限差分方法对超声气压膜的雷诺方程进行简化求解。通过求解分析,得出气体挤压膜悬浮力与悬浮间隙、超声波振幅、气压、超声波频率、换能器接触面大小等因素有关。其次,采用有限差分法对凹面气体润滑雷诺方程求解,计算了凹面静压挤压膜的悬浮支撑力。研究凹面挤压膜支撑力与挤压膜间隙、超声振幅、超声波频率的关系。对转子动压超声波气体挤压膜进行了理论分析,通过简化雷诺方程,采用解析计算方法,提出与实验相结合的办法进行计算。对动压超声挤压膜载荷的计算提供理论依据。然后,采用Newmark-β法和Newton-Raphson法对非线性转子系统进行求解,并通过对偏心转子系统进行仿真,用超声波挤压膜力抑制转子不平衡振动。并对振动抑制效果进行数值仿真求解。最后,对悬浮减摩和悬浮间隙进行了实验研究,设计了一套超声波实验台,包括防震底座、超声波换能器、超声波发生器、拉力计、测振仪。通过实验对超声波挤压膜的悬浮性能进行研究。本文从平面和凹面超声挤压膜悬浮性能两个方面进行实验研究,同时对超声波的减摩性能进行实验研究。
【关键词】：超声波挤压膜 超声悬浮 超声减摩 转子振动抑制
【学位授予单位】：东北大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TH113.1
【目录】：

• 摘要6-8
• Abstract8-12
• 第1章 绪论12-18
• 1.1 引言12
• 1.2 国内外抑制转子振动研究进展12-14
• 1.3 超声悬浮应用研究进展14-16
• 1.4 课题研究的意义和特点16
• 1.5 本文主要研究内容16-18
• 第2章 近场超声悬浮挤压膜承载能力研究18-34
• 2.1 粘性流体运动微分方程18-19
• 2.2 连续性方程19-21
• 2.3 解析解求解N-S方程21-24
• 2.3.1 一阶近似解析求解21-22
• 2.3.2 二阶近似解析求解22-23
• 2.3.3 结果分析23-24
• 2.4 数值解求解N-S方程24-29
• 2.4.1 气体雷诺方程的建立24-26
• 2.4.2 采用差分格式对雷诺方程的数值求解26-29
• 2.5 挤压膜模型求解29-33
• 2.5.1 气膜压强计算29-31
• 2.5.2 气膜瞬态承载力计算31-32
• 2.5.3 平均气膜力32-33
• 2.6 结论33-34
• 第3章 凹面超声波挤压膜承载能力研究34-48
• 3.1 简介34
• 3.2 静压凹面承载能力计算34-42
• 3.2.1 平面挤压膜的理论34-35
• 3.2.2 凹面挤压膜理论35-36
• 3.2.3 凹面挤压膜力结果分析36-41
• 3.2.4 凹面平均承载能力计算41-42
• 3.3 超声波挤压膜动压润滑42-46
• 3.4 结论46-48
• 第4章 超声波抑制转子不平衡振动48-60
• 4.1 概述48
• 4.2 转子系统有限元模型48-49
• 4.3 数值求解方法49-51
• 4.3.1 Newmark-β数值解49-50
• 4.3.2 Newton-Raphson法50-51
• 4.4 空气压缩机内挤压膜计算51-52
• 4.5 数值模拟52-58
• 4.5.1 建立偏心转子模型52-53
• 4.5.2 采用不同观测点数值求解53-56
• 4.5.3 采用不同挤压膜力56-58
• 4.6 结论58-60
• 第5章 超声波悬浮与减摩实验研究60-72
• 5.1 压电换能器简介60
• 5.2 减摩实验60-66
• 5.2.1 实验仪器简介60-62
• 5.2.2 连接实验装置及实验步骤62-63
• 5.2.3 实验数据63-64
• 5.2.4 数据处理及分析64-66
• 5.2.5 结论66
• 5.3 悬浮实验66-70
• 5.3.1 实验及装置66-67
• 5.3.2 实验步骤与数据67-69
• 5.3.3 结论69-70
• 5.4 结论70-72
• 第6章 结论与展望72-74
• 6.1 结论72
• 6.2 展望72-74
• 参考文献74-80
• 致谢80

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本文编号：1120645