金属橡胶环与圆锥轴承组合支承转子系统振动性能研究

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。

目录

摘 要

Abstract

目 录

Contents

第1章 绪论

1.1 课题来源及研究的目的和意义

1.2 国内外相关技术研究现状

1.2.1 圆锥滑动轴承的研究现状

1.2.2 转子系统振动被动控制研究现状

1.3 本文的主要研究内容

第2章 金属橡胶环动力学特性参数分析

2.1 引言

2.2 金属橡胶环与圆锥动静压轴承组合支承

2.3 金属橡胶单元体力学模型

2.3.1 非成型方向力学模型

2.3.2 成型方向力学模型

2.4 金属橡胶环动力学参数计算

2.4.1 金属橡胶环径向动刚度和阻尼系数计算

2.4.2 金属橡胶环轴向动刚度和阻尼系数计算

2.5 金属橡胶环实验研究

2.5.1 位移幅值对径向动力学特性参数的影响

2.5.2 预变形和相对密度对径向动力学特性参数的影响

2.5.3 宽度对径向动刚度的影响

2.5.4 位移幅值对轴向动刚度和阻尼系数的影响

2.6 本章小结

第3章 圆锥动静压滑动轴承油膜力特性分析

3.1 引言

3.2 圆锥动静压滑动轴承结构与润滑基本方程和公式

3.2.1 圆锥动静压滑动轴承结构

3.2.2 润滑基本方程及公式

3.2.3 计算方程

3.3 压力场及温度场求解的数值方法

3.3.1 压力场数值方法

3.3.2 温度场数值方法

3.4 圆锥动静压轴承性能分析

3.4.1 圆锥动静压轴承及润滑油性能参数

3.4.2 油膜压力场及温度场分析

3.4.3 油膜最高温升及温度对轴承油膜反力的影响

3.4.4 圆锥角对轴承油膜反力的影响

3.4.5 油膜间隙h0对油膜温升及承载量的影响

3.4.6 圆锥动静压轴承动特性系数计算

3.5 圆锥动静压轴承润滑性能实验研究

3.6 本章小结

第4章 基于H∞理论的组合支承转子系统振动控制

4.1 引言

4.2 力学模型

4.2.1 圆锥动静压轴承转子系统力学模型

4.2.2 算例分析

4.2.3 金属橡胶环与圆锥动静压轴承组合支承转子系统力学模型

4.3 基于H∞控制理论的系统振动抑制

4.3.1 基于H∞控制理论的系统建模

4.3.2 抑制振动效果评估指标及动力稳定性判别准则

4.4 金属橡胶环抑振装置设计与仿真

4.4.1 算例分析

4.4.2 H∞理论计算及仿真

4.5 本章小结

第5章 组合支承转子系统振动性能实验研究

5.1 引言

5.2 实验验系统构建

5.2.1 圆锥高速转子机械本体及供油系统

5.2.2 计算机传感检测系统

5.2.3 金属橡胶环实验样件

5.3 实验方法及讨论

5.3.1 刚性支承转子系统振动性能实验

5.3.2 组合支承转子系统振动性能实验

5.3.3 组合支承转子系统基频振动响应分析

5.4 本章小结

结 论

参考文献

攻读博士学位期间发表的论文及其它成果

哈尔滨工业大学学位论文原创性声明及使用授权说明

致 谢

个人简历