转子—气体轴承系统振动特性的研究

发布时间：2017-08-25 09:31

  本文关键词：转子—气体轴承系统振动特性的研究

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【摘要】：静压气体轴承在速度较高的机械系统上有着非常广阔的应用。具有配合精度较高、不用考虑摩擦功耗、使用寿命长且内部清洁等诸多优点，而低承载力、小阻尼是导致气体轴承应用受限的主要原因。转子—气体轴承系统有着复杂的动力学特性，而动力学研究的核心是获得气体轴承的气膜力。 本文首先采用Fluent软件对垂直供气气体轴承进行三维流场仿真，考虑转子的转速、偏心、供气孔数量、供气孔直径与供气角度等因素对气体轴承压力分布的影响，得到不同转速和偏心下的气体轴承的气膜力。结果表明：对于本文研究的静压气体轴承，在数值计算中采用SST与层流模型相结合的计算方式可以得到较好的收敛结果；双排供气孔下，气体轴承流场稳定与压力分布均匀，可以得到较为稳定的工作环境。轴承的偏心率、转速、供气孔数量、供气方式、供气孔直径大小均对轴承的气膜力等特性产生较大影响，需综合考虑，合理设计。 考虑垂直供气气体轴承气膜力，采用有限元法建立了该系统的转子动力学模型，采用QR分解法求解了气膜支撑下的转子系统的临界转速和振型；进而采用Newmark逐步积分法计算了转子结点的不平衡响应，通过分析转子响应的时间历程图、频谱图、轴心轨迹图和幅频特性曲线，对比给出了垂直供气气体轴承—转子系统振动响应的特点。结果表明3支点转子—气体轴承系统对涡轮端的不平衡量比较敏感，是该转子动平衡的重点。 搭建垂直供气气体轴承—转子系统实验台，，对转子的模态固有频率进行了测试，数值仿真与试验结果对比证实转子系统弯曲临界转速基本吻合，并对具体的实验研究方案进行了分析，为以后深入的实验研究提供思路。 研究结果对于气体轴承设计、垂直供气气体轴承—转子系统运行中的振动控制，动平衡、故障诊断等具有一定的借鉴意义。
【关键词】：气体轴承 转子系统 动力学特性 气膜力
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2013
【分类号】：TH133.3
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-10
• 第1章 绪论10-22
• 1.1 课题的研究背景、目的及意义10
• 1.2 气体轴承结构型式及其主要特征10-15
• 1.2.1 简单结构气体轴承11
• 1.2.2 箔片气体轴承11-12
• 1.2.3 可倾瓦气体轴承12-13
• 1.2.4 橡胶圈加稳气体轴承13-14
• 1.2.5 双气膜气体轴承（浮环气体轴承）14-15
• 1.2.6 鼠龙弹性支撑气体轴承15
• 1.3 气体轴承稳态特性研究15-16
• 1.4 转子—气体轴承系统动态特性研究16-20
• 1.4.1 转子—气体轴承—弹性支撑系统动力学特性研究18
• 1.4.2 气体轴承系统中转子的不对中研究18-19
• 1.4.3 转子—气体轴承系统的稳定性及控制19-20
• 1.5 国内外研究现状及存在问题20-21
• 1.6 本文主要研究内容21-22
• 第2章 垂直供气静压气体轴承三维流场仿真22-35
• 2.1 垂直供气气体轴承的相关参数22-23
• 2.2 计算模型及边界条件23-28
• 2.2.1 简化模型及网格划分23-25
• 2.2.2 数值计算及边界条件25
• 2.2.3 基本控制方程25-26
• 2.2.4 k 模型26-27
• 2.2.5 剪切应力传输模型（SST 模型）27-28
• 2.2.6 动力粘度系数28
• 2.2.7 静压气体轴承数值仿真计算控制方程28
• 2.3 数值仿真过程及分析28-30
• 2.4 数值计算方案30-31
• 2.5 计算结果及分析31-33
• 2.5.1 不同偏心对静压气体轴承的影响31-32
• 2.5.2 不同转速对静压气体轴承的影响32-33
• 2.6 本章小结33-35
• 第3章 垂直供气静压气体轴承气膜力模型35-49
• 3.1 气膜力及气膜刚度的定义35-37
• 3.2 偏心率和转速对静压气体轴承气膜力的影响37-39
• 3.2.1 偏心率的影响37-38
• 3.2.2 转速的影响38-39
• 3.3 供气方式对静压气体轴承气膜力的影响39-40
• 3.4 供气孔数量及大小对静压气体轴承气膜力的影响40-43
• 3.4.1 供气孔数量的影响40-42
• 3.4.2 供气孔大小的影响42-43
• 3.5 垂直供气静压气体轴承气膜力模型43-47
• 3.5.1 主气膜力模型43-45
• 3.5.2 交叉气膜力模型45-47
• 3.6 本章小结47-49
• 第4章 转子—垂直供气气体轴承动力学特性仿真49-60
• 4.1 垂直供气气体轴承—转子系统结构分析49-51
• 4.2 转子系统有限元模型的建立51-52
• 4.3 气体轴承—转子系统临界转速与阵型52-55
• 4.3.1 垂直供气气体轴承气膜刚度支撑的临界转速和阵型52-53
• 4.3.2 气膜刚度对转子系统临界转速影响分析53-55
• 4.4 气体轴承—转子系统不平衡响应计算55-59
• 4.5 本章小结59-60
• 第5章 转子—气体轴承系统实验测试及分析60-66
• 5.1 转子—气体轴承系统实验台搭建60-62
• 5.2 转子模态固有频率测量62-64
• 5.3 仿真结果与实验结果的初步对比64
• 5.4 垂直供气气体轴承—转子系统实验研究方案64-65
• 5.5 本章小结65-66
• 结论66-68
• 参考文献68-73
• 攻读学位期间发表的学术论文及其他成果73-75
• 致谢75

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