计入弯扭振动及润滑作用的轴承-转子系统动力学研究

摘要

“轴承-转子”系统作为旋转机械中随处可见的一个整体，它的动力学特性对整机的性能有着极大的影响。高速旋转机械中由于承受轴向负载的需要常配备成对的角接触球轴承作为“轴承-转子”系统构成之一，如此轴承的限制条件也成为了系统的制约因素。此外，系统其它两个组成部分—主轴所承受的载荷形式、转子振动特性等也会对整机平稳运行产生影响，而这三个部分之间又是相互联系的，但少有针对整体耦合的“轴承-转子”系统进行研究。为此，本文在国家重点研发计划项目(项目编号：2018YFB2000604)和国家自然科学基金项目(项目编号：51775067)的支持下，开展了计入弯扭耦合振动和轴承润滑作用的轴承转子系统动力学研究，论文主要工作如下：　　首先，基于BP神经网络提出了一种考虑弯扭耦合振动的动力学与摩擦学双向耦合方法，建立了通过轴承径向振动位移预测油膜承载力的神经网络模型，对模型的复现能力和预测能力进行了研究。结果表明：神经网络的复现准确性略高于预测准确性。　　然后，构建了考虑轴承润滑及转轴弯曲作用的“角接触球轴承-转子”系统动力学模型，仿真获得了一系列动力学结果和润滑结果。结果表明：轴承和转子在各个方向上的振动位移都是振幅逐渐减小的高频振动曲线；经过不同时间的高频振动后，油膜压力、油膜摩擦力和油膜厚度逐渐趋于稳定。　　接着，基于转子动力学与轴承摩擦学双向耦合的仿真模型对主轴纯弯曲作用下系统的动力学特性和润滑特性展开了研究，讨论了主轴转速、径向载荷以及转子偏心距对系统特性的影响。研究发现：加大主轴转速可以改善系统的振动特性，还会使轴承弹流润滑效应增强，油膜厚度加大，油膜摩擦力减小；而径向载荷和偏心距的增加会加剧系统振动；考虑主轴弯曲作用时轴承偏斜角越大最大油膜压力越小，但油膜厚度会有所增加。　　最后，建立了考虑轴承润滑和转轴弯扭耦合作用的“角接触球轴承-转子”系统动力学模型，对主轴承受弯扭耦合载荷时系统的动力学特性和润滑特性展开了研究，还讨论了不同工况条件下扭振对径向振动和润滑特性的影响。研究结果表明：计入扭转振动的影响后，弹流润滑效应有所加强，油膜厚度增加使得润滑效果得到改善；转速和偏心距的增加会使扭振变得剧烈，而径向载荷加大可以减弱扭振。

目录

1 绪论

1.1课题背景及意义

1.2国内外研究现状

1.2.1 轴承-转子系统动力学研究现状

1.2.2 轴承-转子系统润滑研究现状

1.2.3转子动力学与轴承摩擦学耦合研究现状

1.3研究内容

2 轴承-转子系统的油膜力确定及预测

2.1耦合思想

2.2油膜力求解模型

2.2.1油膜承载力

2.2.2油膜摩擦力

2.3油膜力求解输入参数确定

2.3.1载荷分布

2.3.2卷吸速度、滑滚比

2.4弹流润滑模型实验验证

2.4.1实验设备及原理

2.4.2实验结果与讨论

2.5神经网络预测模型

2.5.1 BP 神经网络

2.5.2网络训练与泛化

2.6本章小结

3 考虑弯曲作用的轴承-转子系统动力学模型

3.1研究对象

3.2数学模型

3.2.1建模假设与简化原则

3.2.2系统参数确定

3.2.3系统受力分析与动力学方程组

3.3 Simulink仿真模型

3.3.1 Simulink模型的建立

3.3.2 Simulink模型的求解

3.4仿真结果与讨论

3.4.1动力学结果

3.4.2润滑结果

3.5仿真结果验证

3.6本章小结

4 考虑弯曲作用的轴承-转子系统特性研究

4.1考虑与不考虑弯曲的对比

4.1.1不考虑转轴弯曲作用模型

4.1.2转子不偏心时考虑弯曲与不考虑弯曲的对比

4.1.3转子偏心时考虑弯曲与不考虑弯曲的对比

4.2转速影响

4.2.1转速对动力学特性的影响

4.2.2转速对润滑特性的影响

4.3径向载荷影响

4.3.1径向载荷对动力学特性的影响

4.3.2径向载荷对润滑特性的影响

4.4转子偏心距影响

4.4.1偏心距对动力学特性的影响

4.4.2偏心距对润滑特性的影响

4.5本章小结

5 考虑弯扭耦合作用的轴承-转子系统特性研究

5.1考虑转轴弯扭耦合作用模型建立

5.1.1研究对象

5.1.2数学模型

5.1.3 Simulink仿真模型

5.2弯扭耦合与纯弯对比

5.2.1振动特性差异

5.2.2润滑特性差异

5.3转速影响

5.4径向载荷影响

5.5转子偏心距影响

5.6本章小结

6 结论与展望

6.1结论

6.2展望

参考文献

附 录

致谢