【摘要】：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、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，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)與圓錐動靜壓軸承組合支承中的軸承油膜力進行了相關研究�？紤]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實驗研究，理論與實驗研究具有較好的一致性，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價值。
【學位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2012
【分類號】：TH113.1;TH133.3
【圖文】：

Fig. 1-13 Structure diagram of ASFD/MRR[89]如圖1-14所示，為一種“S”型彈簧整體阻尼器[91]。它由“S”形彈簧墊作為彈性支承，在使用過程中有效避免軸頸與機匣的磨損。它采用分段式的結(jié)構(gòu)，因此便于拆裝，該阻尼器可以根據(jù)實際情況設定油膜間隙，以消除轉(zhuǎn)子重量引起的變形，滿足定心的要求。De Santiago 等人[92,93]對帶有該種阻尼器的轉(zhuǎn)子系統(tǒng)進行了研究，分析了不平衡量激勵作用下的減振的有效性，并對結(jié)構(gòu)剛度和阻尼器轉(zhuǎn)子固有頻率進行了深入探討，利用有限元法計算了結(jié)構(gòu)阻尼系數(shù)，理論計算值與實驗吻合的很好，實驗證明了該種阻尼器具有良好的減振效果。圖1-14 “S”型彈簧整體阻尼器結(jié)構(gòu)圖[90]Fig. 1-14 S-shaped integral centering spring dam

非成型方向a) 實物圖片 b) 樣件受力示意圖圖2-2 金屬橡膠樣件Fig.2-2 MR sample為了計算方便，應用  坐標形式，其中 =F/(a b)為樣件的非成型方向應力， = c/c 為樣件非成型方向應變。a，b 分別為樣件橫截面的長度和寬度，c為樣件的高度， c 為樣件壓縮量。00.4 0.8 1.2 1.6 2.080160240320400遲滯恢復力/N變形/mm0.1140.40.81.21.60.029 0.0570.856 0.1432.0σ/MPaε0a) 加載卸載曲線

金屬橡膠環(huán)Fig.2-10MRdampingring

【參考文獻】

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本文編號：2805788