多轴齿式离心压缩机转子系统振动特性研究

摘要

离心式压缩机广泛应用于冶金，石油化工，天然气运输，制冷及动力工程等领域，是国家重大装备制造业的关键设备之一，在国民经济各部门中占有重要地位，多平行轴转子系统是多轴齿式离心压缩机的核心部分，其齿轮耦合振动特性的研究与工业生产密切相关。在实际工作中，振动故障是离心压缩机常见的问题，振动过大不仅可能导致设备本身损坏，严重时会造成重大的事故。因此，为使设备长期稳定运行就要找到其振动问题的特性和规律，在出现振动故障时，能够快速查明原因提出相应对策。
　　本文主要研究的是多平行轴转子系统齿轮耦合振动特性问题，即基于有限元理论，采用数值分析方法，以某型五平行轴齿式离心压缩机为研究对象，建立了五平行轴转子系统动力学模型，分析了齿轮耦合的振动特性，主要工作包括以下:
　　(1)介绍了直齿轮和斜齿轮的时变啮合刚度计算方法，并绘制出直齿轮和斜齿轮啮合刚度曲线，分析了啮合刚度时变特性。同时在考虑时变啮合刚度、齿侧间隙、静传动误差等因素基础上，建立了斜齿轮啮合动力学分析模型。
　　(2)以某型多轴齿式离心压缩机为例，根据转子动力学理论和有限元建模方法，建立了多平行轴齿轮-轴承-转子系统模型，得到了转子系统运动微分方程，介绍了系统固有特性和不平衡响应计算方法。
　　(3)在考虑齿轮啮合与不考虑齿轮啮合两种情况下，同时采用MATLAB和ANSYS有限元软件求解出转子系统的固有特性，并进行了对比分析，研究了齿轮耦合作用对多平行轴转子系统固有特性的影响。
　　(4)针对压缩机多轴转子系统模型，计算了系统临界转速，绘制出系统Campbell图，分析了齿轮啮合对系统临界转速的影响。在考虑齿轮时变啮合刚度激励基础上，通过数值计算仿真，获得了不同工况下以及不同齿侧间隙下输出轴轴承处的振动响应，研究了负载和齿侧间隙对不平衡振动的影响。
　　研究表明，由于多平行轴的齿轮耦合作用，整体系统固有特性包括各单轴的固有特性和耦合派生的固有特性，整机系统的Campbell图中出现啮合频率线，系统派生出新的临界转速值。在一定载荷条件下，由于齿轮时变啮合刚度，转子稳态不平衡响应图中出现齿轮啮合频率及其倍频成分，齿轮啮合频率幅值甚至可超过工频幅值成为引起系统产生振动的重要因素。在一定工况下，齿侧间隙过小会引起转子轮齿间的冲击碰撞。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 选题背景与研究意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 转子动力学研究现状

1．2．2 齿轮系统动力学研究现状

1．2．3 关于齿轮耦合转子系统动力学的研究

1．3 课题来源

1．4 本文主要内容

2 齿轮时变啮合刚度及动力学模型分析

2．1 直齿圆柱齿轮时变啮合刚度

2．1．1 直齿轮啮合刚度石川公式法

2．1．2 石川公式参数计算

2．1．3 直齿轮啮合综合刚度曲线

2．2 斜齿轮时变啮合刚度计算

2．2．1 斜齿圆柱齿轮接触线长度

2．2．2 斜齿轮齿对变形计算

2．2．3 斜齿轮综合啮合刚度曲线

2．3 考虑齿侧间隙的齿轮啮合振动分析模型

2．4 本章小结

3 多平行轴齿轮转子系统有限元分析理论与建模

3．1 转子系统动力学有限元分析理论及计算方法

3．1．1 转子系统有限元分析理论

3．1．2 固有特性计算方法

3．1．3 振动响应计算方法

3．2 某型多平行轴齿式压缩机转子系统有限元建模

3．2．1 系统结构及参数

3．2．2 轴段单元

3．2．3 刚性盘单元

3．2．4 轴承支撑单元

3．2．5 齿轮啮合单元

3．2．6 系统材料阻尼

3．2．7 建立系统运动微分方程

3．3 本章小结

4 多平行轴转子系统固有特性分析

4．1 固有特性计算程序

4．2 不考虑齿轮耦合单轴转子固有频率及振型

4．2．1 输入轴转子固有频率及振型

4．2．2 中间轴转子固有频率及振型

4．2．3 输出轴1转子固有频率及振型

4．2．4 输出轴2转子固有频率及振型

4．2．5 输出轴3转子固有频率及振型

4．3 考虑齿轮耦合整机系统的固有频率及振型

4．4 本章小结

5 多平行轴转子系统临界转速及不平衡响应分析

5．1 临界转速分析

5．2 不平衡响应分析

5．2．1 不平衡振动信号的调制现象

5．2．2 不同负荷下齿轮转子的不平衡响应

5．2．3 不同齿侧间隙下齿轮转子的不平衡响应

5．3 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致谢