金屬橡膠環(huán)與圓錐軸承組合支承轉(zhuǎn)子系統(tǒng)振動性能研究.pdf

1、圓錐動靜壓滑動軸承綜合了動壓軸承和靜壓軸承的優(yōu)點,能夠同時承受徑向及軸向載荷,具有啟動平穩(wěn)、軸向間隙容易調(diào)整、高速時摩擦功耗較小等特點,在高速旋轉(zhuǎn)機械中的應用愈來愈廣泛。然而支承在油膜軸承中的高速轉(zhuǎn)子,由于受不平衡質(zhì)量或者外界干擾等因素的影響,在通過臨界轉(zhuǎn)速區(qū)或者運行時常會出現(xiàn)劇烈的振動,由于油膜的特性還會產(chǎn)生“自激振動”,從而使轉(zhuǎn)子系統(tǒng)喪失動力穩(wěn)定性。為了實現(xiàn)對高速旋轉(zhuǎn)機械振動的控制,金屬橡膠干摩擦阻尼減振構(gòu)件因其阻尼性能好、重量輕、

2、且易制成各種形狀、環(huán)境適應能力強、可調(diào)節(jié)剛度等一系列優(yōu)點在該領(lǐng)域得到了成功的應用。
　　本文針對圓錐動靜壓軸承支承的高速轉(zhuǎn)子系統(tǒng),提出用金屬橡膠環(huán)作為彈性阻尼支承,設計了金屬橡膠環(huán)與圓錐動靜壓軸承組合支承高速轉(zhuǎn)子系統(tǒng),研究了該系統(tǒng)的金屬橡膠環(huán)動力學參數(shù)計算方法、圓錐動靜壓軸承的油膜力特性、系統(tǒng)模型的建立以及系統(tǒng)參數(shù)設計的方法等,并對該組合支承高速轉(zhuǎn)子系統(tǒng)進行了振動性能實驗研究。
　　基于對金屬橡膠單元體力學實驗結(jié)果,建立了金

3、屬橡膠單元體非成型方向和成型方向的遲滯恢復應力數(shù)學模型,基于此模型,推導出了金屬橡膠環(huán)徑向和軸向動力學參數(shù)計算的數(shù)學表達式。理論和實驗研究了金屬橡膠環(huán)結(jié)構(gòu)參數(shù)與動力學參數(shù)的關(guān)系,實驗結(jié)果與理論仿真結(jié)果具有較好的一致性,證明了理論模型的正確性。研究結(jié)果表明,金屬橡膠環(huán)動剛度和阻尼的大小與振動幅值和頻率有關(guān),預變形和相對密度對徑向動剛度和能量耗散系數(shù)有重要影響,徑向動剛度和能量耗散系數(shù)在數(shù)值上比軸向大許多。
　　對金屬橡膠環(huán)與圓錐動靜

4、壓軸承組合支承中的軸承油膜力進行了相關(guān)研究。考慮潤滑油膜軸向速度、紊流和熱效應等因素,推導了極坐標系下圓錐動靜壓軸承的廣義雷諾方程、能量方程及相關(guān)表達式,采用有限差分法對方程進行離散,利用帕坦卡正系數(shù)法則對離散化方程系數(shù)及常數(shù)項進行處理,數(shù)值計算得到了油膜三維壓力場和溫度場,研究了軸承溫升、間隙等參數(shù)對軸承性能的影響,數(shù)值計算了油膜剛度系數(shù)和阻尼系數(shù)。對該軸承的靜壓浮起、動壓潤滑和流量特性進行相關(guān)實驗研究,理論與實驗研究具有較好的一致性

5、,證明了理論分析的正確性。
　　建立了圓錐動靜壓軸承轉(zhuǎn)子系統(tǒng)剛性支承和金屬橡膠環(huán)與圓錐動靜壓軸承組合支承轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的運動微分方程,提出了基于H∞理論的系統(tǒng)數(shù)學模型,給出了H∞性能指標γ意義下的振動抑制效果評估指標及動力穩(wěn)定性判別準則,H∞性能指標γ越小系統(tǒng)對不平衡干擾力的抑制能力越強,系統(tǒng)響應振幅越小?？紤]金屬橡膠環(huán)模型參數(shù)不確定性,通過具體算例,提出了基于 H∞性能指標γ意義下的金屬橡膠環(huán)最佳動力參數(shù)設計方法,仿真結(jié)果與H∞理論計

6、算值對比證明了基于H∞理論的系統(tǒng)模型的正確性。
　　研制了金屬橡膠環(huán)與圓錐動靜壓軸承組合支承高速轉(zhuǎn)子系統(tǒng)實驗臺。對比實驗研究了圓錐動靜壓軸承剛性支承以及金屬橡膠環(huán)彈性支承的高速轉(zhuǎn)子系統(tǒng)振動性能,研究表明,圓錐動靜壓軸承在工作時,存在著劇烈的自激振動而導致系統(tǒng)失穩(wěn),供油壓力對圓錐動靜壓軸承高速轉(zhuǎn)子系統(tǒng)穩(wěn)定區(qū)域有影響,提高供油壓力有助于擴大轉(zhuǎn)子系統(tǒng)穩(wěn)定區(qū)域,但是穩(wěn)定區(qū)域擴大能力有限。當系統(tǒng)加入金屬橡膠環(huán)彈性支承時,由不平衡干擾力產(chǎn)生的

7、系統(tǒng)基頻振動隨之減小,系統(tǒng)產(chǎn)生自激振動的轉(zhuǎn)速明顯提高,系統(tǒng)穩(wěn)定區(qū)域擴大,隨著供油壓力的增大,系統(tǒng)穩(wěn)定區(qū)域提高的愈明顯,當圓錐動靜壓軸承與金屬橡膠環(huán)動力參數(shù)達到合理地匹配時,金屬橡膠干摩擦阻尼能有效地消耗振動能量,降低系統(tǒng)的振動,有效擴大系統(tǒng)穩(wěn)定區(qū)域,實驗研究結(jié)果與理論分析具有很好的一致性。
　　本文的研究對金屬橡膠環(huán)與圓錐動靜壓軸承組合支承系統(tǒng)在工業(yè)各領(lǐng)域高速旋轉(zhuǎn)機械中的實際應用,奠定了理論及實驗基礎,具有重要的理論意義和實際應用