高速滑动轴承电主轴——转子系统动力学性能的研究课件

1、高速滑动轴承电主轴转子系统动力学性能的研究姓名：鲁豫鑫学号：11721167专业：机械设计及理论导师：李松生Company Logo目 录研究目的和实践意义2国内外研究状况3主要研究内容4主要研究方法5课题来源1课题计划安排6预期目标7Company Logo一、课题来源上海市重点实验室科研项目24000r/min高速滑动轴承电主轴项目二、研究目的和实践意义Company Logo非接触摩擦小承载大寿命长摩擦发热油膜刚度阻尼压力分布润滑油流量目前，电主轴主要还是使用滚动轴承作为支承。而滑动轴承主要在汽轮机发电机组和鼓风机、离心机之类的大型重载机械应用较多。Company Logo三、国内外研究

2、现状动力润滑O.Reynolds于1886年提出了著名的雷诺方程；Christopherson用差分法成功求解了雷诺方程；Ocvirk忽略周向压力梯度，得到了短轴承油膜力表达式，同时忽略负压影响，认为只有正压对载荷起支承作用；Pinkus分析了椭圆轴承压力分布；Jakobsson等提出了JFO理论，不仅提供了油膜破裂条件，而且提供了油膜再形成条件；Capone给提出修正的短轴承假设下的非线性油膜力模型；Eduardo P.Okabe等推广Capone短轴承非线性模型，推导了适合于可倾瓦轴承的非线性油膜力模型。张直明教授等根据量纲分析的方法建立起多油叶径向滑动轴承的非线性油膜力数据库；张文等提出

3、了非线性油膜力的一般表达式，其瞬态刚度阵和瞬态阻尼阵由三个非线性函数来描述；陈龙，郑铁生等提出一种求解当轴颈大扰动时实际轴承瞬态油膜力的近似公式；杨金福等提出一个适用于圆轴承的具有解析表达式的非线性油膜力模型；陈龙、郑铁生等提出了变分法模型，该法利用变分原理和自由边值理论，通过迭代获得油膜边界，进而得到相应油膜力。Company Logo三、国内外研究现状转子动力学W.J.Rnakine提出了临界转速的概念，开创了转子动力学的先河；Jeffcott以单圆盘挠性转子模型进行研究，得到了转子在超临界状态下工作仍然稳定的结论；Holzer等提出计算转子系统固有频率的传递矩阵法(TMM)；Archer

4、等把有限元法(FEM)引入到转子动力学中；Lund提出了油膜力用八个刚度、阻尼系数表述的线性化模型，将滑动轴承与转子结合在一起研究；F.Ehrich通过实验证明并分析了燃气轮机的混沌现象；Zavodney、Nayfeh等通过研究揭示系统出现的倍周期分叉、倒分叉和混沌等动力学行为。杨金福等提出了油膜-转子系统中轴承运行失稳的判据方程，解释了油膜力的作用机理；陈予恕、曹树谦等给出了圆盘-轴段形式的转子系统模型建模准则；张大志等建立了考虑非线性油膜力的非线性刚度轴转子系统的动力学模型；陈予恕等对弹支刚性转子系统的碰摩进行了研究；陈照波、焦映厚等对非线性转子轴承系统动力学分叉及稳定性进行了分析研究；牛

5、玉清、徐鉴等分析了多圆盘转子系统在非线性油膜力作用下的周期性运动及稳定性；四、主要研究内容研究滑动轴承类型和结构参数对轴承内部摩擦力、功耗、温升等的影响，从而设计出适合高速电主轴使用的动压滑动轴承；求解雷诺方程，得出轴承的刚度和阻尼等动态特性系数；建立动压滑动轴承转子系统模型，用有关方法求固有频率、动态响应，分析稳定性，并分析载荷、转速等因素对它们的影响；搭建试验台，利用有关试验设备进行轴承转子系统的模态和动态响应试验，把得到的实验结果与上述理论分析进行对比，验证理论研究的正确性。Company Logo1、高速电主轴用滑动轴承结构选择五、主要研究方法Company Logo如图所示：椭圆轴承

6、由于结构上的原因，润滑油流量较大、温升较低，上下轴瓦可形成两个油膜，抗扰动能力强、旋转精度和高速稳定性都优于单油楔轴承，而工艺性又比其它多油楔和可倾瓦轴承好，适合高速电主轴的高速轻载或中载情况，故本课题研究初步选用椭圆轴承支承电主轴旋转。进油温度：50 径向载荷：300N轴颈直径：40mm 宽径比：0.6间隙比（顶隙比）：0.0015 椭圆度：22、滑动轴承油膜力模型的分析采用数值算法直接求解方程，获得椭圆瓦轴承油膜压力分布，再数值积分获得油膜力，计算时，可以适当考虑温度等因素对粘度的影响。Company Logo此式适用于全部内节点 (i=1m-1,j=1n-1)，因此共有 (m-1)(n-

7、1) 个等式，构成一组对于 (m-1)(n-1) 个内节点Pi,j的线性非齐次代数方程，从而可以编制程序求解出各个内节点Pi,j的值。下轴瓦无量纲油膜力分布 上轴瓦无量纲油膜力分布Company Logo3、滑动轴承动力特性系数的计算油膜的动力特性，反应了当轴颈偏离了静平衡位置并在此位置附近作变位运动时油膜力的相应的变化情况。力的变化与扰动之间的关系一般是非线性的，当扰动是微小量时，为简化分析，可以把这种关系线性化。得到四个刚度系数和四个阻尼系数来表示油膜的动力特性，称为油膜的八个动力系数。Company Logo故油膜力变化量可表示为：Company Logo4、轴承转子系统模型的分析在高速

8、电主轴中，工作转速通常接近于转子系统的一阶临界转速，因此需要分析轴承转子系统的固有频率、临界转速、不平衡振动响应等动力学方面的性能。方法主要有两种：传递矩阵法和有限元法Company LogoCompany Logo有限元模型是一个精度比较高的模型，它的求解步骤大致如下：1、对电主轴的转子部分划分单元和节点2、参照梁单元写出单元刚度、质量矩阵，并写出载荷、位移列向量3、合成系统总刚度、质量矩阵及载荷、位移列向量4、将有关量代入运动微分方程式并求解方程Company Logo传递矩阵法编程简单、运算快，在转子动力学计算中占主导地位，它的主要步骤如下：1、对转子进行建模（一般用集总参数模型）2、写

9、出各个构件的传递矩阵，得出各截面与起始截面的状态矢量关系3、代入截面边界条件，得出关于临界转速的方程式4、使用频率搜索的方法来试算固有频率5、代入状态关系得出各截面的模态振型5、实验分析轴承-转子系统的模态实验：通过锤击实验，得到轴承-转子系统的在静止状态下的固有频率以及相应的振型轴承-转子系统动态响应实验：通过实验测得有冲击载荷和无冲击载荷两种状态下，轴承-转子系统的固有频率、振动加速度、位移，从而获得系统的振动特性曲线以及动态响应曲线通过调整转速、载荷等条件，重复上述两个实验，得出它们对固有频率和动态响应的影响。Company Logo6、课题计划安排Company Logo研究阶段研究进度2012.11-2013.01完成论文开题，完成雷诺方程的求解，并确定轴承结构尺寸；2013.03-2013.04完成对确定轴承的油膜力及动力系数的求解；2013.05-2013.06完成对轴承转子系统的求解，得出固有频率和动态响应；2013.07-2013.09完成试验台的搭建并确定试验方案，试验得出系统的固有频率和动态响应；2013.10-2010.11整理实验结果并与理论结果相比较，验证理论的正确性；2013.12-2014.03完成论文写作、修改定稿，准备答辩；7、预期目标Company Logo1、设计出