弹性支承干摩擦阻尼器减振研究

论文摘要

众所周知，阻尼器对于高速旋转机械(如航空发动机)的减振有着重要的意义。不同种类的阻尼器(如挤压油膜阻尼器、金属橡胶阻尼器、橡胶阻尼器等)在实际应用中有着很好的效果。 本文提出了一种新型阻尼器—弹性支承干摩擦阻尼器，它可以用于带有弹性支承旋转机械的减振，其原理为通过两个摩擦片之间的干摩擦为转子提供阻尼。阻尼器的一个摩擦片(动摩擦片)安装在弹性支承的一端，另一个摩擦片(静摩擦片)安装在静子上。如果弹性支承由于转子的振动而产生运动，那么动、静摩擦片之间将产生相对位移，由此产生的干摩擦将消耗振动的能量，从而达到减振的效果。这就是弹支干摩擦阻尼器的工作机理。 干摩擦力取决于作用在摩擦片上的压紧力和动、静摩擦片之间的摩擦系数，摩擦片的表面粗糙度和材料决定了摩擦系数，因此可以通过改变摩擦片压紧力的方法对弹支干摩擦阻尼器进行主动控制。 本文的主要工作及结论如下： 提出了弹性支承干摩擦阻尼器的结构方案，设计制造了弹支干摩擦阻尼器实验器。利用实验器进行了大量的稳态实验和暂态实验，以此研究了干摩擦阻尼器的可行性和有效性。 对转子稳态数据、暂态实验的减速Bode图分析表明，弹支干摩擦阻尼器可以有效地抑制由转子不平衡而引起的振动。暂态实验数据还表明，干摩擦阻尼器能够大大降低转子通过临界转速时的振动峰值，这对于柔性转子的正常工作有着重要的意义。 建立了转子—弹性支承—干摩擦阻尼器系统中转子的运动微分方程，采用库仑摩擦模型描述摩擦力。从理论上分析了弹支干摩擦阻尼器的减振机理，并证明了弹支干摩擦阻尼器可以用于转子系统的减振和镇定。运用能量平衡法确定了带有干摩擦阻尼器的转子的镇定边界。 采用滞迟弹簧模型描述干摩擦力，运用Fourier级数展开法和谐波平衡法简化双折线本构关系，建立了转子—弹性支承—干摩擦阻尼器系统一自由度及二自由度力学简化模型，计算了系统的振动响应特性。 采用Fourier级数展开法、增量谐波平衡法、精细积分法求解转子—弹性支承—干摩擦阻尼器系统一自由度、二自由度理论模型的振动响应，计算结果表明三种方法均可准确地得到系统的振动响应，其结果略有差异，可以忽略。 通过与数值积分方法计算结果对比，验证了Fourier级数展开法的准确性。在二自由度模型求解中，运用拟牛顿法来求解非线性方程组，给出了相应的公式

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 选题的技术背景与研究目的
• 1.1.1 柔性转子与弹性支承
• 1.1.2 抑制转子振动的阻尼器
• 1.1.3 干摩擦阻尼在工程实践中的应用
• 1.1.3.1 在涡轮机及航空发动机中的应用
• 1.1.3.2 在建筑隔震中的应用
• 1.1.3.3 在交通运输系统中的应用
• 1.1.4 带弹性支承干摩擦阻尼器的研究意义
• 1.2 摩擦理论简介
• 1.2.1 摩擦理论发展过程
• 1.2.2 摩擦理论模型介绍
• 1.2.2.1 库仑摩擦模型
• 1.2.2.2 滞迟弹簧干摩擦模型
• 1.2.2.3 非局部摩擦理论模型
• 1.2.3 摩擦接触模型
• 1.2.3.1 整体滑动模型
• 1.2.3.2 部分滑动模型
• 1.2.4 含有干摩擦阻尼环节系统响应的求解方法
• 1.2.4.1 数学模型
• 1.2.4.2 数值计算方法
• 1.3 关于干摩擦阻尼问题的国内外研究现状
• 1.3.1 干摩擦阻尼理论研究
• 1.3.2 干摩擦阻尼应用研究
• 1.3.3 金属橡胶阻尼器研究
• 1.4 本文的主要工作与贡献
• 1.5 论文内容安排
• 第二章 弹性支承干摩擦阻尼器的结构和工作原理
• 2.1 弹性支承干摩擦阻尼器的基本结构
• 2.2 安装弹支干摩擦阻尼器后转子的振动
• 2.2.1 转子的运动方程
• 2.2.2 弹支干摩擦阻尼器对转子的阻尼作用
• 2.2.3 算例分析
• 2.3 弹支干摩擦阻尼器对失稳振动的镇定
• 2.4 用能量平衡法确定弹支干摩擦阻尼器的镇定边界
• 2.5 小结
• 第三章 运用Fourier级数展开法研究弹支干摩擦阻尼器
• 3.1 转子-弹性支承-干摩擦阻尼器系统力学模型
• 3.2 弹支干摩擦阻尼器单自由度模型分析
• 3.2.1 双折线本构关系的Fourier级数展开
• 3.2.2 振动响应计算
• 3.2.3 振动响应计算实例
• 3.2.3.1 计算方法准确性验证
• 3.2.3.2 干摩擦力对振动响应的影响
• 3.2.3.3 干摩擦环节刚度对振动响应的影响
• 3.3 弹支干摩擦阻尼器二自由度模型分析
• 3.3.1 振动响应方程
• 3.3.2 振动响应方程的拟牛顿法求解
• 3.3.3 振动响应计算实例
• 3.3.3.1 质量比u对振动响应的影响
• 1对振动响应的影响'>3.3.3.2 刚度k₁对振动响应的影响
• 1、c₂对振动响应的影响'>3.3.3.3 阻尼c₁、c₂对振动响应的影响
• 3.3.3.4 干摩擦力对振动响应的影响
• 2对振动响应的影响'>3.3.3.5 干摩擦环节刚度k₂对振动响应的影响
• 3.3.4 其它形式的二自由度模型
• 3.4 小结
• 第四章 运用增量谐波平衡法研究弹支干摩擦阻尼器
• 4.1 增量谐波平衡法介绍
• 4.2 弹支干摩擦阻尼器单自由度模型分析
• 4.2.1 增量谐波平衡法求解过程
• 4.2.2 有关干摩擦环节的积分公式
• 4.2.3 计算实例
• 4.3 弹支干摩擦阻尼器二自由度模型分析
• 4.3.1 增量谐波平衡法求解过程
• 4.3.2 计算实例
• 4.3.3 其它形式的二自由度模型分析
• 4.4 小结
• 第五章 运用精细积分法研究弹支干摩擦阻尼器
• 5.1 精细积分的基本算法
• 5.1.1 带有非齐次项的精细积分公式
• 5.1.2 二次泰勒级数展开的精细积分公式
• 5.2 弹支干摩擦阻尼器单自由度模型分析
• 5.3 弹支干摩擦阻尼器二自由度模型分析
• 5.4 计算实例
• 5.5 小结
• 第六章 弹支干摩擦阻尼器实验研究
• 6.1 弹支干摩擦阻尼器实验器介绍
• 6.1.1 弹支干摩擦阻尼器实验器的整体结构
• 6.1.2 鼠笼式弹性支承设计
• 6.1.3 施加压紧力的弹簧
• 6.1.4 弹支干摩擦阻尼器实验器测试系统
• 6.1.5 测试系统的标定
• 6.2 稳态实验数据分析
• 6.2.1 时域波形实验数据分析
• 6.2.2 一维频谱实验数据分析
• 6.2.3 弹支干摩擦阻尼器对于叶片断裂故障的抑制
• 6.3 转子暂态实验数据分析
• 6.3.1 暂态过程的减速时间
• 6.3.2 暂态过程的谐波分析
• 6.3.3 弹支干摩擦阻尼器减振效果
• 6.4 小结
• 第七章 实验结果与计算结果的对比分析
• 7.1 弹支干摩擦阻尼器理论模型计算
• 7.1.1 理论模型基本参数
• 7.1.2 干摩擦环节刚度
• 7.1.3 转子不平衡量
• 7.1.4 阻尼对减振效果的影响
• 7.2 计算结果分析
• 7.2.1 计算结果与实验数据对比
• 7.2.2 “误差”致因分析
• 7.3 最佳干摩擦力分析
• 7.3.1 选取的基本原则
• 7.3.2 摩擦片材料的影响
• 7.3.3 激振力的影响
• 7.4 小结
• 第八章 结论及展望
• 8.1 研究结论
• 8.2 工作展望
• 参考文献
• 攻读博士学位期间发表的论文
• 致谢