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

1、圓錐動(dòng)靜壓滑動(dòng)軸承綜合了動(dòng)壓軸承和靜壓軸承的優(yōu)點(diǎn),能夠同時(shí)承受徑向及軸向載荷,具有啟動(dòng)平穩(wěn)、軸向間隙容易調(diào)整、高速時(shí)摩擦功耗較小等特點(diǎn),在高速旋轉(zhuǎn)機(jī)械中的應(yīng)用愈來(lái)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(guò)臨界轉(zhuǎn)速區(qū)或者運(yùn)行時(shí)常會(huì)出現(xiàn)劇烈的振動(dòng),由于油膜的特性還會(huì)產(chǎn)生“自激振動(dòng)”,從而使轉(zhuǎn)子系統(tǒng)喪失動(dòng)力穩(wěn)定性。為了實(shí)現(xiàn)對(duì)高速旋轉(zhuǎn)機(jī)械振動(dòng)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(yīng)能力強(qiáng)、可調(diào)節(jié)剛度等一系列優(yōu)點(diǎn)在該領(lǐng)域得到了成功的應(yīng)用。
　　本文針對(duì)圓錐動(dòng)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(shè)計(jì)了金屬橡膠環(huán)與圓錐動(dòng)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(dòng)力學(xué)參數(shù)計(jì)算方法、圓錐動(dòng)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(shè)計(jì)的方法等,并對(duì)該組合支承高速轉(zhuǎn)子系統(tǒng)進(jìn)行了振動(dòng)性能實(shí)驗(yàn)研究。
　　基于對(duì)金屬橡膠單元體力學(xué)實(shí)驗(yàn)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(fù)應(yīng)力數(shù)學(xué)模型,基于此模型,推導(dǎo)出了金屬橡膠環(huán)徑向和軸向動(dòng)力學(xué)參數(shù)計(jì)算的數(shù)學(xué)表達(dá)式。理論和實(shí)驗(yàn)研究了金屬橡膠環(huán)結(jié)構(gòu)參數(shù)與動(dòng)力學(xué)參數(shù)的關(guān)系,實(shí)驗(yàn)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(dòng)剛度和阻尼的大小與振動(dòng)幅值和頻率有關(guān),預(yù)變形和相對(duì)密度對(duì)徑向動(dòng)剛度和能量耗散系數(shù)有重要影響,徑向動(dòng)剛度和能量耗散系數(shù)在數(shù)值上比軸向大許多。
　　對(duì)金屬橡膠環(huán)與圓錐動(dòng)靜

4、壓軸承組合支承中的軸承油膜力進(jìn)行了相關(guān)研究?？紤]潤(rùn)滑油膜軸向速度、紊流和熱效應(yīng)等因素,推導(dǎo)了極坐標(biāo)系下圓錐動(dòng)靜壓軸承的廣義雷諾方程、能量方程及相關(guān)表達(dá)式,采用有限差分法對(duì)方程進(jìn)行離散,利用帕坦卡正系數(shù)法則對(duì)離散化方程系數(shù)及常數(shù)項(xiàng)進(jìn)行處理,數(shù)值計(jì)算得到了油膜三維壓力場(chǎng)和溫度場(chǎng),研究了軸承溫升、間隙等參數(shù)對(duì)軸承性能的影響,數(shù)值計(jì)算了油膜剛度系數(shù)和阻尼系數(shù)。對(duì)該軸承的靜壓浮起、動(dòng)壓潤(rùn)滑和流量特性進(jìn)行相關(guān)實(shí)驗(yàn)研究,理論與實(shí)驗(yàn)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(dòng)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(dòng)靜壓軸承組合支承轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)微分方程,提出了基于H∞理論的系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型,給出了H∞性能指標(biāo)γ意義下的振動(dòng)抑制效果評(píng)估指標(biāo)及動(dòng)力穩(wěn)定性判別準(zhǔn)則,H∞性能指標(biāo)γ越小系統(tǒng)對(duì)不平衡干擾力的抑制能力越強(qiáng),系統(tǒng)響應(yīng)振幅越小?？紤]金屬橡膠環(huán)模型參數(shù)不確定性,通過(guò)具體算例,提出了基于 H∞性能指標(biāo)γ意義下的金屬橡膠環(huán)最佳動(dòng)力參數(shù)設(shè)計(jì)方法,仿真結(jié)果與H∞理論計(jì)

6、算值對(duì)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(dòng)靜壓軸承組合支承高速轉(zhuǎn)子系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)臺(tái)。對(duì)比實(shí)驗(yàn)研究了圓錐動(dòng)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(dòng)性能,研究表明,圓錐動(dòng)靜壓軸承在工作時(shí),存在著劇烈的自激振動(dòng)而導(dǎo)致系統(tǒng)失穩(wěn),供油壓力對(duì)圓錐動(dòng)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(kuò)大轉(zhuǎn)子系統(tǒng)穩(wěn)定區(qū)域,但是穩(wěn)定區(qū)域擴(kuò)大能力有限。當(dāng)系統(tǒng)加入金屬橡膠環(huán)彈性支承時(shí),由不平衡干擾力產(chǎn)生的

7、系統(tǒng)基頻振動(dòng)隨之減小,系統(tǒng)產(chǎn)生自激振動(dòng)的轉(zhuǎn)速明顯提高,系統(tǒng)穩(wěn)定區(qū)域擴(kuò)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(dāng)圓錐動(dòng)靜壓軸承與金屬橡膠環(huán)動(dòng)力參數(shù)達(dá)到合理地匹配時(shí),金屬橡膠干摩擦阻尼能有效地消耗振動(dòng)能量,降低系統(tǒng)的振動(dòng),有效擴(kuò)大系統(tǒng)穩(wěn)定區(qū)域,實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果與理論分析具有很好的一致性。
　　本文的研究對(duì)金屬橡膠環(huán)與圓錐動(dòng)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(jī)械中的實(shí)際應(yīng)用,奠定了理論及實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ),具有重要的理論意義和實(shí)際應(yīng)用