【摘要】：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、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，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)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)用價(jià)值。
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2012
【分類(lèi)號(hào)】：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(guò)程中有效避免軸頸與機(jī)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(shí)際情況設(shè)定油膜間隙，以消除轉(zhuǎn)子重量引起的變形，滿(mǎn)足定心的要求。De Santiago 等人[92,93]對(duì)帶有該種阻尼器的轉(zhuǎn)子系統(tǒng)進(jìn)行了研究，分析了不平衡量激勵(lì)作用下的減振的有效性，并對(duì)結(jié)構(gòu)剛度和阻尼器轉(zhuǎn)子固有頻率進(jìn)行了深入探討，利用有限元法計(jì)算了結(jié)構(gòu)阻尼系數(shù)，理論計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)吻合的很好，實(shí)驗(yàn)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(shí)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(jì)算方便，應(yīng)用  坐標(biāo)形式，其中 =F/(a b)為樣件的非成型方向應(yīng)力， = c/c 為樣件非成型方向應(yīng)變。a，b 分別為樣件橫截面的長(zhǎng)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(fù)力/N變形/mm0.1140.40.81.21.60.029 0.0570.856 0.1432.0σ/MPaε0a) 加載卸載曲線(xiàn)

金屬橡膠環(huán)Fig.2-10MRdampingring

【參考文獻(xiàn)】

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