具有主动控制功能的油膜轴承研究

论文摘要

油膜轴承是转子-轴承系统的关键支承部件,对转子系统的稳定运行起着非常重要的作用。随着转子系统向着高速、高精度和高负荷的方向发展,对油膜轴承性能的要求越来越高,而尝试对传统油膜轴承进行改进以提高其性能一直是从事该领域研究人员的追求目标之一。本文提出了一种新型的具有主动控制功能的油膜轴承,该轴承利用超磁致伸缩微位移驱动器（GMA）对油膜轴承位置进行静态调节,并能动态主动抑制转子-轴承系统的振动,达到提高油膜轴承定位精度和稳定性的目的。论文以带有GMA的新型主动控制油膜轴承为研究对象,完成的主要工作有:参考已有的应用在位置定位和声纳激励等方面的GMA设计,考虑油膜轴承的应用特点,设计了结构上更为简单的专用GMA。建立了该GMA的静态位移力模型和动态机-磁耦合模型,搭建了杠杆试验装置,验证了GMA在常态磁场强度下可以产生与油膜轴承油膜厚度在同一数量级的伸长量。在材料试验机上做了GMA在各种频率下的动态性能试验,验证了GMA在输入电流频率达到800Hz时有好的频响特性,能满足遏止转子-轴承系统振动所需的频率。研究了GMA在止推轴承中的应用,验证了GMA在油膜轴承实际工况下调整油膜间隙的能力,同时解决了一些结构的止推轴承中因瓦块间的不均载导致的局部瓦温过高的情况。编制了相关程序,分析了止推轴承的油膜间隙与瓦块的最大温升和承载量的敏感性关系,表明通过控制瓦块支承处的油膜间隙可以有效地改变单瓦块的承载量并调节单瓦块温升。搭建了以GMA来主动调节瓦块油膜间隙的止推轴承实验台,该轴承以瓦块的温度作为反馈信号,控制支承瓦块的GMA的伸长量,改变止推瓦块的油膜间隙,使各个瓦块承受的载荷均匀,防止局部瓦块的过高的温升。在止推油膜轴承实验台上,进行了均载调节试验,验证了GMA调节瓦温的能力。建立了可控径向油膜轴承支承的Jeffcott转子系统模型,进行了动力学分析。纳入GMA的机-磁耦合模型,采用龙格-库塔法编制了考虑基础参振的径向油膜轴承-转子系统的计算程序。该程序根据非线性油膜力数据库技术计算油膜力,以轴颈的振动信号作为反馈信号来同步控制轴承座的运动,计算得到了轴心运动轨迹,并详细考察了控制增益和相位差对系统不平衡振动和稳定性的影响。计算结果表明,控制增益和相位差对系统不平衡振动影响很大,选择合适的控制增益和相位差可以大大减小系统的不平衡工频振动,减小系统的半频涡动,大大提高系统的稳定性。计算结果还说明,对于某一固定的控制增益,存在一个最佳相位差,能使系统的不平衡响应最小。搭建了可控径向油膜轴承-转子系统实验台和测控系统。作为初步验证可控油膜轴承性能的实验台,转子支承一端采用可控滑动轴承,另一端采用向心滚动轴承的简单结构;为了满足轴承在不同转速下的试验需要,以变频器和电主轴系统作为驱动装置。根据GMA的驱动特点,采用碟形弹簧结构给GMA施加预应力,能保证滑动轴承套和GMA始终不脱离,同时满足滑动轴承套具有两个自由度的要求。进行不同载荷和转速下的可控滑动轴承的调心试验,通过改变GMA的磁场,可以把不同工况下的可控滑动轴承支承的转子的轴心的静平衡位置调整到同一位置,验证可控滑动轴承具有良好的定心精度。针对工频振动,进行了动态轴心轨迹控制试验。初步试验结果表明可控滑动轴承所支承的转子的工频振动幅值大大减少,轴心动态振动轨迹明显减小,验证了本文提出的具有主动控制功能的油膜轴承具有较好的振动抑制能力,使传统油膜轴承的的稳定性得到提高。

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摘要

Abstract

主要符号说明

第1章绪论

1.1 课题的提出及可行性

1.2 国内外研究进展、现状

1.2.1 主动减振油膜轴承研究的回顾

1.2.2 超磁致伸缩材料的发展与应用

1.2.3 转子-轴承系统动力学研究回顾

1.3 课题来源

1.4 主要研究内容

1.5 本章小结

第2章超磁致伸缩驱动器设计及性能试验

2.1 GMA设计

2.1.1 GMA简介

2.1.2 用于油膜轴承试验GMA的结构特点

2.2 GMA的磁场计算

2.3 GMA理论模型

2.3.1 静态位移力模型

2.3.2 动态机-磁耦合模型

2.4 GMA静态性能试验

2.4.1 杠杆试验装置

2.4.2 杠杆试验结果与分析

2.5 GMA动态驱动测试

2.6 本章结论

第3章间隙可调止推油膜轴承的理论和试验研究

3.1 GMA应用于止推油膜轴承间隙调节的背景

3.2 止推轴承的油膜间隙与载荷和温升的敏感性关系

3.3 油膜间隙可自动调节的止推轴承结构和工作原理

3.4 实验台设计及工作原理

3.4.1 实验台的机械部分

3.4.2 实验台数据测控系统的结构及工作原理

3.5 油膜间隙可调的止推轴承试验结果及分析

3.5.1 试验参数

3.5.2 止推油膜轴承试验的跑合过程

3.5.3 止推油膜轴承试验结果及分析

3.6 本章小结

第4章可控径向油膜轴承-转子系统的动力学分析

4.1 可控径向油膜轴承-转子系统的动力学模型

4.1.1 可控径向油膜轴承结构及系统动力学模型

4.1.2 系统方程无量纲化

4.2 可控径向油膜轴承-转子系统的动力学计算程序的验证

4.3 突加不平衡响应分析

4.4 同步反馈控制对径向油膜轴承-转子系统不平衡响应分析

4.4.1 控制增益对系统不平衡响应的影响

4.4.2 反馈角对系统不平衡响应影响

4.4.3 反馈控制对系统稳定性的影响

4.5 本章结论

第5章可控径向油膜轴承-转子系统实验台设计

5.1 实验台总体结构及工作原理

5.2 可控径向油膜轴承支承设计

5.2.1 圆柱径向油膜轴承设计

5.2.2 GMA预应力装置设计

5.3 实验台的安装、调整

5.4 可控径向轴承实验台的测控系统

5.5 GMA动态位移测试

5.6 本章小结

第6章可控径向油膜轴承试验与结果分析

6.1 试验简介

6.2 径向油膜轴承的定心调整试验

6.2.1 径向油膜轴承正常工作的验证

6.2.2 相同转速不同载荷下的定心调整试验

6.2.3 相同载荷、不同转速下的定心调整试验

6.3 轴心轨迹的动态控制试验结果分析

6.4 本章结论

第7章结论与展望

7.1 研究工作总结

7.2 未来研究工作的展望

参考文献

作者在攻读博士学位期间的研究成果及所获的奖励

致谢

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