高速滚动轴承集成阻尼器材料的设计与应用分析

论文摘要

现代航空航天发动机的主轴转子系统转速越来越高,减振理论与技术一直都是该类高速转子系统的关键基础问题。本文针对小型高速发动机转子系统减振存在的问题,面向支承的低刚度、高阻尼的要求,在粘弹-摩擦阻尼器结构的基础上,研究了短纤维和聚酰亚胺（PI）填充聚四氟乙烯（PTFE）基复合材料的动态力学性能和摩擦学性能,得到了满足大摩擦、高阻尼要求适合在苛刻环境下工作需求的新阻尼器复合材料的配方和工艺,利用小型高速转子实验系统,对应用新材料的阻尼器进行了减振性能实验。论文首先分析了材料对阻尼器减振性能影响,深入探索了复合材料的粘弹阻尼和摩擦磨损理论,得到新材料改进的方法。在此基础上,提出了新的阻尼器材料要达到的性能指标,选定了进行复合的原材料。在干摩擦条件下用M-200磨损试验机考察了PTFE基复合材料的摩擦学性能,得出聚酰亚胺（PI）、短切碳纤维（CF）与玻璃纤维（GF）的填充提高了材料的摩擦系数,由纯PTFE的0.2增大到0.33以上;降低了材料的磨损,磨损率比纯PTFE降低两个数量级的影响规律。用机械动态热分析仪（DMA）研究了PTFE基复合材料的动态力学性能。结果显示填充后复合材料的储能模量均有所提高,其中CF的效果尤为显著。GF的填充稍微降低了复合材料的损耗因子峰值,显著提高复合材料的平均阻尼损耗因子;CF则使损耗因子的峰值和平均值都降低;PI效果和CF类似,只是变化幅值比CF大许多。综合考虑粘弹阻尼性能、弹性模量、摩擦系数和耐磨性等因素,确定复合材料材料的最佳配比为PTFE:CF:GF:PI=16:3:1:5。最后用小型高速转子实验系统,进行了新复合材料阻尼器的高速实验。实验结果表明,粘弹-摩擦阻尼结构可将系统第一阶临界转速由24000r/min降低到15000r/min,比原材料阻尼器稍有增大,但是转子的振动位移减小了,尤其在高速、振动位移较大时效果更好,最大减小了近30%;在30000r/min转速下、不平衡量为0.133×10-3kg·m时,振动加速度频带能量值由194.3m2/s4降低到8.6m2/s4,比原复合材料阻尼器降低了近15%,因此具有更好减振性能。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景
• 1.2 国内外研究现状及分析
• 1.2.1 振动控制阻尼器研究现状
• 1.2.2 粘弹阻尼材料及减振应用的研究现状
• 1.2.3 摩擦材料及减振应用的研究现状
• 1.3 课题来源及论文的主要研究内容
• 1.3.1 课题来源
• 1.3.2 前期工作基础
• 1.3.3 主要研究内容
• 第2章 阻尼器材料的性能指标与组分选取
• 2.1 阻尼器复合材料的性能指标
• 2.1.1 阻尼器结构及工作原理简介
• 2.1.2 材料性能对阻尼器性能的影响
• 2.1.3 复合材料的性能指标
• 2.2 高分子复合材料粘弹性能
• 2.2.1 粘弹阻尼性能评价
• 2.2.2 纤维增强复合材料的粘弹阻尼
• 2.2.3 聚合物共混复合材料的粘弹阻尼
• 2.3 高分子复合材料摩擦磨损
• 2.3.1 摩擦性能评价
• 2.3.2 影响塑料干摩擦系数的因素
• 2.3.3 干摩擦条件下影响塑料磨损的因素
• 2.4 材料成分选取
• 2.4.1 各组分性能
• 2.4.2 复合材料制备工艺
• 2.5 本章小结
• 第3章 复合材料配方试验
• 3.1 短切碳纤维和玻璃纤维填充复合材料性能
• 3.1.1 复合材料摩擦学性能
• 3.1.2 复合材料粘弹阻尼性能研究
• 3.1.3 复合材料断面分析
• 3.2 聚酰亚胺填充复合材料的性能
• 3.2.1 复合材料摩擦学性能研究
• 3.2.2 复合材料的动态力学性能研究
• 3.2.3 复合材料冲击性能研究
• 3.2.4 复合材料断面分析
• 3.3 本章小结
• 第4章 新材料阻尼器高速实验
• 4.1 实验系统简介
• 4.2 实验数据处理
• 4.3 实验结果分析
• 4.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读学位期间发表的学术论文
• 致谢