金属橡胶环与圆锥轴承组合支承转子系统振动性能研究

发布时间：2020-08-27 07:06

【摘要】：圆锥动静压滑动轴承综合了动压轴承和静压轴承的优点，能够同时承受径向及轴向载荷，具有启动平稳、轴向间隙容易调整、高速时摩擦功耗较小等特点，在高速旋转机械中的应用愈来愈广泛。然而支承在油膜轴承中的高速转子，由于受不平衡质量或者外界干扰等因素的影响，在通过临界转速区或者运行时常会出现剧烈的振动，由于油膜的特性还会产生“自激振动”，从而使转子系统丧失动力稳定性。为了实现对高速旋转机械振动的控制，金属橡胶干摩擦阻尼减振构件因其阻尼性能好、重量轻、且易制成各种形状、环境适应能力强、可调节刚度等一系列优点在该领域得到了成功的应用。本文针对圆锥动静压轴承支承的高速转子系统，提出用金属橡胶环作为弹性阻尼支承，设计了金属橡胶环与圆锥动静压轴承组合支承高速转子系统，研究了该系统的金属橡胶环动力学参数计算方法、圆锥动静压轴承的油膜力特性、系统模型的建立以及系统参数设计的方法等，并对该组合支承高速转子系统进行了振动性能实验研究。基于对金属橡胶单元体力学实验结果，建立了金属橡胶单元体非成型方向和成型方向的迟滞恢复应力数学模型，基于此模型，推导出了金属橡胶环径向和轴向动力学参数计算的数学表达式。理论和实验研究了金属橡胶环结构参数与动力学参数的关系，实验结果与理论仿真结果具有较好的一致性，证明了理论模型的正确性。研究结果表明，金属橡胶环动刚度和阻尼的大小与振动幅值和频率有关，预变形和相对密度对径向动刚度和能量耗散系数有重要影响，径向动刚度和能量耗散系数在数值上比轴向大许多。对金属橡胶环与圆锥动静压轴承组合支承中的轴承油膜力进行了相关研究。考虑润滑油膜轴向速度、紊流和热效应等因素，推导了极坐标系下圆锥动静压轴承的广义雷诺方程、能量方程及相关表达式，采用有限差分法对方程进行离散，利用帕坦卡正系数法则对离散化方程系数及常数项进行处理，数值计算得到了油膜三维压力场和温度场，研究了轴承温升、间隙等参数对轴承性能的影响，数值计算了油膜刚度系数和阻尼系数。对该轴承的静压浮起、动压润滑和流量特性进行相关实验研究，理论与实验研究具有较好的一致性，证明了理论分析的正确性。建立了圆锥动静压轴承转子系统刚性支承和金属橡胶环与圆锥动静压轴承组合支承转子系统的运动微分方程，提出了基于H_∞理论的系统数学模型，给出了H_∞性能指标γ意义下的振动抑制效果评估指标及动力稳定性判别准则，H_∞性能指标γ越小系统对不平衡干扰力的抑制能力越强，系统响应振幅越小。考虑金属橡胶环模型参数不确定性，通过具体算例，提出了基于H_∞性能指标γ意义下的金属橡胶环最佳动力参数设计方法，仿真结果与H_∞理论计算值对比证明了基于H_∞理论的系统模型的正确性。研制了金属橡胶环与圆锥动静压轴承组合支承高速转子系统实验台。对比实验研究了圆锥动静压轴承刚性支承以及金属橡胶环弹性支承的高速转子系统振动性能，研究表明，圆锥动静压轴承在工作时，存在着剧烈的自激振动而导致系统失稳，供油压力对圆锥动静压轴承高速转子系统稳定区域有影响，提高供油压力有助于扩大转子系统稳定区域，但是稳定区域扩大能力有限。当系统加入金属橡胶环弹性支承时，由不平衡干扰力产生的系统基频振动随之减小，系统产生自激振动的转速明显提高，系统稳定区域扩大，随着供油压力的增大，系统稳定区域提高的愈明显，当圆锥动静压轴承与金属橡胶环动力参数达到合理地匹配时，金属橡胶干摩擦阻尼能有效地消耗振动能量，降低系统的振动，有效扩大系统稳定区域，实验研究结果与理论分析具有很好的一致性。本文的研究对金属橡胶环与圆锥动静压轴承组合支承系统在工业各领域高速旋转机械中的实际应用，奠定了理论及实验基础，具有重要的理论意义和实际应用价值。
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2012
【分类号】：TH113.1;TH133.3
【图文】：

结构图,阻尼器,弹簧,结构图

Fig. 1-13 Structure diagram of ASFD/MRR[89]如图1-14所示，为一种“S”型弹簧整体阻尼器[91]。它由“S”形弹簧垫作为弹性支承，在使用过程中有效避免轴颈与机匣的磨损。它采用分段式的结构，因此便于拆装，该阻尼器可以根据实际情况设定油膜间隙，以消除转子重量引起的变形，满足定心的要求。De Santiago 等人[92,93]对带有该种阻尼器的转子系统进行了研究，分析了不平衡量激励作用下的减振的有效性，并对结构刚度和阻尼器转子固有频率进行了深入探讨，利用有限元法计算了结构阻尼系数，理论计算值与实验吻合的很好，实验证明了该种阻尼器具有良好的减振效果。图1-14 “S”型弹簧整体阻尼器结构图[90]Fig. 1-14 S-shaped integral centering spring dam

示意图,金属,样件

非成型方向a) 实物图片 b) 样件受力示意图图2-2 金属橡胶样件Fig.2-2 MR sample为了计算方便，应用坐标形式，其中 =F/(a b)为样件的非成型方向应力， = c/c 为样件非成型方向应变。a，b 分别为样件横截面的长度和宽度，c为样件的高度， c 为样件压缩量。00.4 0.8 1.2 1.6 2.080160240320400迟滞恢复力/N变形/mm0.1140.40.81.21.60.029 0.0570.856 0.1432.0σ/MPaε0a) 加载卸载曲线

示意图,金属橡胶,实物,图片

金属橡胶环Fig.2-10MRdampingring

【参考文献】