（固体力学专业论文）高速旋转试验机的研制和相关非线性动力学问题的研究.pdf

摘要 本文是在国家自然科学基金( 复合材料飞轮强度设计理论研究，编号 1 0 1 7 2 0 8 5 ) 和中国科学技术大学军工应用基础研究项目( 编号k y l l 0 2 ) 的资助 下完成的，本文的工作包括两大部分，第一是自行研制了一台可用于复合材料飞 轮破坏试验的高速旋转试验机，第二是对相关的国际上尚未很好解决的非线性动 力学问题进行了研究。 从高速旋转试验机的设计指标出发，在高速旋转试验机结构和动力学初步分 析的基础上，设计研制了用于复合材料飞轮破坏试验的电主轴拖动的高速旋转试 验机，该试验机还包括变频控制系统、油雾润滑系统、离合操纵系统和测试系统； 且通过改变试验机主轴长度，可使试验机获得不同的系统临界转速。对试验机的 空载调试和复合材料飞轮高速旋转破坏试验结果均表明，高速旋转试验机的性能 良好，满足设计指标的要求。 以滚动轴承拟静力学分析模型为基础，计及安装时的过盈配合量、预紧力和 旋转速度等因素，给出了高速精密角接触球轴承径向外载与轴承内外圈径向相对 位移、轴向外载与轴承内外圈轴向相对位移的关系的完整方程组和计算方法，并 借助多项式拟合给出了外载与相对位移的非线性关系，即用多项式非线性弹簧来 表征滚动轴承的刚度特性；同时给出任一状态下高速角接触球轴承中钢球与内、 外圈的接触刚度和轴承整体的径向刚度和轴向刚度的完整的直接计算方法。两种 方法计算的轴承总体刚度吻合，表明这两种方法计算滚动轴承网q 度均是可行和可 靠的。 定量揭示了不同状态下滚动轴承外载与内外圈相对位移之间的非线性关系， 以及刚度与转速的相关性；并提出当轴承内外圈相对位移很小时，用二次非线性 弹簧来表征轴承的刚度特性；对重载、轴承的内外圈相对位移比较大的轴承，应 用三次非线性弹簧来表征滚动轴承刚度特性；同时还论证了用非完整三次多项式 来表征轴承的非线性刚度是不合适的。这些为表征滚动轴承非线性刚度特征提供 了基础。 提出了基于时域分析提取滚动轴承刚度参数的方法，即通过建立非线性弹簧 支撑的刚性转子系统横向振动模型，直接测出滚动轴承旋转时的振动响应并将其 振动激励处理成白噪声信号，采用时域分析的方法给出从随机振动响应中提取滚 动轴承与旋转状态相关的线性刚度和二次非线性刚度的完整方法，并编写了相应 的数据处理程序。利用该方法得到了b 7 0 0 4 轴承的线性刚度和二次非线性刚度， 此结果与滚动轴承刚度理论分析结果吻合，证明了理论分析的正确性和时域分析 方法提取滚动轴承线性刚度和非线性刚度参数的有效可靠性。 提出了基于有限元模态分析的迭代算法( 简称迭代法) 来确定非线性支承转 子系统临界转速的完整方法，结果表明此方法是有效的。该方法包括两部分，第 一部分是有限元模态分析，即根据转子在设定转速下滚动轴承的总体刚度，计算 此转速下系统的相对临界转速；第二部分为迭代算法，即将相对临界转速作为设 定转速迭代循环计算，得到系统临界转速。 给出了基于频谱分析的曲线相交法( 简称相交法) 来测量和确定非线性支承 转予系统临界转速的方法，结果表明此方法是有效的。该方法包括两部分，第一 部分是多个转速下的频谱分析，给出多个试验转速的相对临界转速；第二部分是 曲线相交法，即在试验转速( 横坐标) 与相对临界转速( 纵坐标) 坐标系内，作 出相对临界转速与试验转速的拟合曲线，同时作出临界转速等于试验转速的斜直 线，两线交点的坐标值即为系统临界转速。应用迭代法和相交法对自行研制的高 速旋转试验机进行分析和测试，迭代法得到的临界转速与相交法测试结果吻合， 证明了迭代法和相交法是有效可靠的。 本文还利用上述相关非线性动力学分析的成果，进一步研究了该试验机系统 的动力学特性以及相关参数对系统一阶临界转速的影响。 i i a b s t r a c t t h i sd i s s e r t a t i o ni sc a r r i e do u tu n d e rt h es u p p o r to fn a t i o n a ln a t 嗽ls c i e n c e f o u n d a t i o no fc h i n a ( n o 1 0 1 7 2 0 8 5 ) a n db a s i cr e s e a r c ho n m i l i t a r yp r o j e c t a p p l i c a t i o no fu s t c ：( n o k y l l 0 2 ) t h em a i nc o n t e n t sc a nb ed i v i d e di n t ot w o s e c t i o n sn l ef i r s ti st h a tah i g h s p e e dr o t a t i n gt e s t d e v i c ef o rd e s t r o ye x p e r i m e n t o n c o m p o s i t ef l y w h e e lh a sb e e n m a n u f a c t u r e db yo u r s e l v e s t h es e c o n di st h es t u d yo n c o r r e l a t i n gn o n l i n e a rd y n a m i c sp r o b l e m st h a ta r en o t s o l v e dw e l le n o u g h a c c o r d i n gt ot h ed e s i g nt a r g e ta i l n s ，at e s t d e v i c e f o rd e s t r o ye x p e r i m e n to n c o m p o s i t ef l y w h e e lh a sb e e nm a n u f a c t u r e di nt h eb a s i so ft h ei n i t i a la n a l y s i so ni t s s t m c t 眦弓a n dd y n a m i c s t h et e s t d e v i c ec o n s i s t so f e l e c t r i c i t ym a i n s h a f ts y s t e m 、 f r e q u e n c yc o n v e r s i o ns y s t e m 、o i lf o gl u b r i c a t es y s t e m 、s e p a r a t i o na n d r e u n i o ns t e e r s y s t e ma n dm e a s u r es y s t e m t h et e s t - d e v i c ec a na t t a i nd i f f e r e n ts y s t e mc r i t i c a ls p e e d b yc h a n g i n gt h el e n g t ho f t h ep r i n c i p a la x i s t h er e s u l t so ft h ez e r ol o a dd e b u ga n d d e s t r o yt e s tf o rc o m p o s i t ef l y w h e e li n d i c a t et h ep e r f o r m a n c eo f t h et e s t d e v i c ei sa l l r i g h ta n da c c o r d sw i t ht h ed e s i g n a i l n s i nt h eb a s i so ft h ea n a l o g o u ss t a t i c sm o d e lf o rr o l lb e a r i n ga n d t a k i n ga c c o u n t i n t ot h ef i xi n t e r f e r e n c ef i t 、a x i a lp r e l o a d 、r o t a t i n gs p e e de t c ，t h i st h e s i sg i v e st h e w h o l ee q u a t i o ng r o u pa n dc a l c u l a t i n gm e t h o d so ft h er e l a t i o nf o rr a d i a ll o a da n d r a d i a lr e l a t i v e d i s p l a c e m e n t o ft h e b e a r i n gr i n g s 、a x i a l l o a da n da x i a lr e l a t i v e d i s p l a c e m e n to ft h eb e a r i n gr i n g sf o rh i g h - s p e e da n g u l a rc o n t a c tb a l lb e a r i n g b y p o l y n o m i a l f i tt 1 1 en o n l i n e a rr e l a t i o no ft h el o a da n dr e l a t i v e d i s p l a c e m e n t i s p r o p o s e d t h es t i f f n e s so f t h eb e a r i n gc a nb ee x p r e s s e du s i n gt h en o n - l i n e a r s p r i n g i n t h em e a n t i m e ，t h ew h o l ed i r e c tc a l c u l a t i n gm e t h o do nc o n t a c tr i g i d i t yb e t w e e nb a l l a n dr i n g s 、t o t a lr a d i a ls t i f f n e s sa n da x i a ls t i f f n e s sf o rb a l lb e a r i n gi na n ys t a t ea r e p r o p o s e d t o o t h e c a l c u l a t i n g r e s u l t s u s i n g t h e s em e t h o d sa r ei d e n t i c a l t h e s e m e t h o d sa r ep r a c t i c a b l ea n dr e l i a b l e t h en o n l i n e a rr e l a t i o no ft h el o a da n dr e l a t i v ed i s p l a c e m e n to ft h eb e a r i n gr i n g s i nd i f f e r e n ts t a t e 、t h ec o r r e l a t i o no ft h es t i f f n e s sa n dt h e r o t a t i n gs p e e d a r e q u a n t i f i c a t i o np l a c a r d e d w h e nt h ed i s p l a c e m e n to f t h eb e a r i n gr i n g si ss m a l l ，t h e s t i f f n e s s s p e c i a l t y c a nb e e x p r e s s e dq u a d r a t i c n o n l i n e a r s p r i n g o t h e r w i s e t h e s t i f f n e s s s p e c i a l t ym u s tb ee x p r e s s e d t h r i c en o n l i n e a r s p r i n g t h en o n i n t e g r a t e d t h r i c ep o l y n o m i a li sn o ta p p r o p r i a t ef o rb e a r i n gr i g i d i t y t h e s ep r o v i d ef o u n d a t i o nf o r f o r m u l a t i n gb e a r i n g n o n - l i n e a rs t i f f n e s s a c c o r d i n gt ot h et r a n s v e r s e v i b r a t i o nm o d e lo ft h er i g i d i t yr o t o rs y s t e ma n d 1 1 1 n o n 。l i n e a r s p r i n gs u p p o r t ，t h et i m er e g i o na n a l y s i sm e t h o de x t r a c t i n gt h es t i f f n e s s p a r a m e t e r so ft h er o l l i n ge l e m e n tb e a r i n g si sp r o p o s e d t h el i n e a ra n dq u a d r a t i c n o n l i n e a rs t i f f n e s sc o r r e l a t i n gr o t a t i n gs t a t u sc a r lb eo b t a i n e df r o mr a n d o mv i b r a t i o n r e s p o n s e t h ed a t ap r o c e s s i n gp r o g r a m f o rt h e s ei sc o m p i l e d t h el i n e a ra n d q u a d r a t i c n o n l i n e a rs t i f f n e s so ft h eb 7 0 0 4a r eo b t a i n e db yt h i sm e t h o d t h er e s u l t sa c c o r dw i t h t h et h e o r e t i cc a l c u l a t i o n t h ec o l t e c t n e s so ft h et h e o r ya n a l y s i sa n d a v a i l a b i l i t yo f t h e t i m e r e g i o na n a l y s i sa r ep r o v e d ， i no r d e rt od e t e r m i n et h er o t o r s y s t e mc r i t i cs p e e do ft h en o n l i n e a rs u p p o r t s y s t e m ，t h ei t e r a t i v ea r i t h m e t i cb a s e do nt h ef i n i t ee l e m e n tm o d a la n a l y s i s ( a b b r i t e r a t i v e m e t h o d ) i sp r o p o s e d t h ei t e r a t i v e m e t h o di s v e r ye f f e c t i v e i tc a nb e d i v i d e di n t ot w o p a r t s f i r s ti st h ef i n i t ee l e m e n tm o d a la n a l y s i st oc a l c u l a t er e l a t i v e c r i t i c s p e e da c c o r d i n gt ot h et o t a ls t i f f n e s so ft h eb e a r i n gi ng i v e nr o t a t i n gs p e e d ， s e c o n di st h ei t e r a t i v ea r i t h m e t i ct og e tt h es y s t e mc r i t i cs p e e d i no r d e rt om e a s u r et h er o t o rs y s t e mc r i t i cs p e e do ft h en o n - l i n e a rs u p p o r t s y s t e m ， t h ec u l v ei n t e r s e c tb a s e do nt h ef r e q u e n c ys p e c t r u ma n a l y s i s ( a b b r i n t e r s e c tm e t h o d l i sp r o p o s e d t h ei n t e r s e c tm e t h o di s v e r ye f f e c t i v e i tc a n b ed i v i d e di n t ot w o p a r t s f i r s ti st h ef r e q u e n c ys p e c t r u ma n a l y s i su n d e rm u l t i s p e e dt oc a l c u l a t er e l a t i v ec r i t i c s p e e di nd i f f e r e n tt e s tr o t a t i n gs p e e d s e c o n di st h ec 1 j r g ei n t e r s e c tf o rt h ei n c l i n e d s t r a i g h tl i n eo f t h ec r i t i cs p e e da n dt e s ts p e e dw i t ht h ef i tc h i v eo ft h er e l a t i v ec r i t i c s p e e d ( h o r i z o n t a lc o o r d i n a t e ) a n dt e s ts p e e d ( v e r t i c a lc o o r d i n a t e ) t h es y s t e mc r i t i c s p e e di st h ep o i n to ft h ei n t e r s e c t i o n t h em e a s u r e dr e s u l t sa c c o r dw i t ht h et h e o r e t i c c a l c u l a t i o nf o rt h em a n u f a c t u r e d h i g h s p e e d t e s td e v i c e t h ec o r r e c t n e s sa n d a v a i l a b i l i t yo f t h ei t e r a t i v em e t h o da n di n t e r s e c tm e t h o da r ep r o v e d u s i n gt h ea c h i e v e m e n t so ft h ec o r r e l a t i n gn o n l i n e a rd y n a m i c s ，t h ed y n a m i c c h a r a c t e r i s t i co f t h et e s td e v i c ea n dt h ei n f l u e n c eo f t h e p a r a m e t e r sf o r t h e f i r s ts y s t e m c r i t i cs p e e da r em o r es t u d i e d 致谢 衷心感谢导师夏源明教授多年来对我的培养和教诲，论文工作自始至终都倾 注了导师的大量，i i , 血。导师对教育事业的忘我奉献、对年轻学子的殷切希望，使 学生终生难忘；导师严谨泊学的作风、渊博的学识、敏锐的洞察力和对问题的精 辟见解，使学生终生受益；导师始终如一追求真理、为科学研究而献身的精神， 值得学生终生学习。 衷心感谢师母尹华珍老师多年来的关心和爱护。 感谢洛阳轴承研究所罗继伟所长、张锡昌研究员、龙纯翔高级工程师、邱宪 国高级工程师、李建华高级工程师，他们在试验机设计调研和方案确定中，提出 了很多建设牲的意见。 感谢湖南汽车制造厂模具分厂的罗水根厂长、丁文波工程师，在试验机的加 工、装配中，由于他们的配合，使得试验机的研制更加顺利。 课题组所有成员共同营造了浓厚的学术气氛和愉快的工作环境，与小汪洋博 士、大汪洋博士、周元鑫博士、马钢博士、龚明博士、宫能平博士、李炜博士、 夏勇博士、秦勇博士、董世明博士，与孟庆良、孙文春、黄文、李大应、程添乐、 昝祥、李兵、刘丹丹、吴衡毅、黄宗、未吉舟、王晓军、武晓敏、周君、郝勇、 张涛、徐伟、董毅、吴福麒、周宗容、蔡盛强、宫旭辉、夏春光、聂旭、谯瑞、 方美彦、戴维、曹鹤等师兄弟( 妹) 的相处中深刻体会到课题组团结互助的精神， 感谢他们曾经提供的帮助。 亲人的期望给了我巨大的精神动力，他们的支持和付出为我的进步创造了优 越的条件，此时请允许我与妻子张晓娴女士以及我的父母、岳父母共同分享完成 论文的喜悦，也希望本文的顺利完成令所有关爱我的亲人们感到欣慰。 本文是在国家自然科学基金( 复合材料飞轮强度设计理论研究，编号 1 0 1 7 2 0 8 5 ) 和中国科学技术大学军工应用基础研究项目( 编号k y l l 0 2 ) 的资助 下完成的，在此表示衷心的谢意。 中国科学技术大学博士学位论文 第一章绪论 1 1 引言 高速飞轮储能技术由于电能转换效率高、充放电快捷、不受地理环境限制、 不污染环境、单位质量储能密度大等突出优点，是种具有广泛应用前景的机械 储能方式 。其基本原理是：由电动机驱动飞轮高速旋转，电能转变为机械能 储存；当需要电能时，飞轮减速，电动机作发电机运行，将飞轮动能转换成电能， 即通过飞轮的升速和降速，实现电能的存入和释放 。由于受到飞轮材料强度、 支承技术等各种技术条件的限制，飞轮储能技术一直都没有重大的突破1 1 】阎。 最近十余年来，飞轮储能技术获得了突破性的进展【7 _ 8 】，从最初的金属飞轮原 型试验装置，发展到现在的磁悬浮复合材料飞轮储能系统【9 瑚】。形成这突破性 进展的主要因素有：首先是轻量高强纤维的发展可制成比金属飞轮强度商的复合 材料飞轮e l l - 1 2 1 ；其次是高速支承技术的发展，如超导磁悬浮1 1 3 】、电磁悬浮1 1 4 】、 永磁悬浮【临1 和高速滚动轴承支承d 6 - 1 8 1 、或它们的组合 1 9 - 2 0 】；再次便是电力电子学 技术的发展，如采用无刷、直流、永磁电动，发电机，采取减低铁损和铜损技术 措施1 2 1 - 2 2 】，电能输入输出采用高效率电能转换器，以提高储能循环效率问等。 这三方面技术的发展均极大地提高了飞轮的极限转速，提高了储能密度。 飞轮的储能密度，即单位质量飞轮所能储存的能量，是全面衡量飞轮系统储 能效率的重要指标。飞轮的储能密度与转速之间有如下的关系式： 11 k e d = ( 去i 2 ) ，二 ( 1 - 1 ) 二m 其中，k e d 是飞轮储能密度，i 是飞轮的转动惯量，。为飞轮转动角速度。 从式( 1 - 1 ) 可以看出，提高转速可以有效提高飞轮的储能密度；但是飞轮转速 不可能无限制的提高，它受到支承技术和飞轮材料强度的制约。 对于实心金属圆盘状飞轮，其最大离心力为 ：g，：半p(02r2(1-2)g0= g ，= i p ( 0 。 o 其中，p 为材料密度，v 为泊松系数。 将应力。与角速度m 的关系代入式( 】一】) ，即可得到储能密度与飞轮材料参 数之间的简单关系 第一章绪论 d ：l 1 3 + vo 由式( 1 2 ) 和( 1 - 3 ) 还可以得到以下的比例式 g 0 ( 1 3 ) ( 1 4 ) k e d 旦 ( 1 5 ) p 这里，oo 是材料的强度。 由式( 1 - 4 ) 和( 1 5 ) 可看出，飞轮转速的平方与材料的强度成正比，飞轮 的储能密度与材料的强度成正比、而与材料的密度成反比。对于高强纤维缠绕而 成的飞轮，因为环向( 即纤维纵向) 具有很高的强度，而且复合材料的密度小， 故复合材料飞轮可以获得比金属飞轮高得多的转速和储能密度。然而纤维缠绕的 复合材料飞轮是各向异性的，所谓复合材料飞轮强度高实际上是指环向强度高 ( 纤维方向) ，且直接与纤维强度相关，但复合材料飞轮的径向强度( 垂直于纤 维方向的横向) 是很低的，且在一定程度上与纤维强度无关。由此可见要使复合 材料飞轮真正达到很高的极限转速，真正获得很高的储能密度，必须采取相应的 有效的技术措施，建立复合材料飞轮应力分析和强度设计的理论和方法，解决如 何满足径向强度条件的问题【2 4 。2 6 】。 为了验证和修正复合材料飞轮强度设计理论，分析飞轮设计、工艺的合理性， 对复合材料飞轮进行强度破坏试验是必不可少的。据报道，美国a f s 公司的复 合材料飞轮在装机实验时发生过未达额定转速就出现轮缘爆破的事故：美国新墨 西哥洲h a r v a r ds a n d i a 大学实验室对四个复合材料飞轮进行破坏实验时发现，四 个飞轮分别在3 0 1 0 0 r r a i n 、2 2 0 0 0r r a i n 、2 9 0 0 0r m i n 和1 2 9 0 0 0r m i n 发生断裂破 坏( 美国能源部资助项目) ，试验结果离散性很大；b i r m i n g h a m 大学化学工程系 对碳纤环氧复合材料飞轮在2 0 万r r a i n 超高速下长期实验，轮缘速度达2 0 0 0 m s ， 飞轮却完好无损。从中可以看出，对复合材料飞轮进行强度破坏试验是非常重要 的。实际上，转子机械的主要受力部件，如航空发动机中的风扇、压气机和涡轮 轮盘等，无论是为了检验轮盘设计的合理性，还是分析排除使用中的故障。都必 须进行大量的试验，并相应建立了旋转试验机。这些旋转试验机结构复杂、体积 庞大、转速在4 0 0 0 0 r m i n 以下( 详细内容请见本章1 2 1 ) 。为了适应飞轮储能技 术发展的需要，针对复合材料飞轮的强度破坏试验，需设计、研制转速更高、控 中雹科学技术大学博士学位论文 制简洁、测试方便的高速旋转试验机( 详细内容请见本章1 2 2 ) 。 在转子机械的设计中早期常把滚动轴承支承简单地假设为是绝对刚性的。 如果采用单列滚珠轴承，则简化为铰接支点：如果在一个支承内安装一对双列滚 动轴承，简化为固定支点。随着转予机械转速的不断提高，滚动轴承的弹性支承 特性，即刚度特性必须予以考虑 2 7 。2 9 】。尽管最近五十年来，对滚动轴承的刚度特 性研究有了较大的发展，但滚动轴承实际工作情况非常复杂，且呈非线性特性， 目前所用弹性刚度数据往往与实际存在相当大的差距，影响滚动轴承转子系统动 力学特性分析结果的精度d o 。3 2 ，因此迫切需要对滚动轴承的刚度特性进行较准确 的分析( 详细内容请见本章1 3 1 ) 。 滚动轴承的刚度特性不但呈非线性特性，而且受轴承本身的结构参数、运行 条件、载荷状况阻及润滑环境等诸多因素的影响 3 3 - 3 7 】，因此滚动轴承刚度特性分 析计算中不可避免地要采取一系列假设，导致计算结果与实际情况之间存在不同 程度的差别4 0 】。为了验证分析结果，也为了得到比较实用的可靠数据，需要测 试滚动轴承在旋转状态时的刚度特性( 详细内容请见本章1 3 2 ) ，也即需要高速 旋转试验机。必须指出高速旋转试验机不仅仅可应用于滚动轴承的刚度特性测 试，还可用于滚动轴承的温度特性、速度特性、润滑特性等试验。 在现代高速旋转机械中，工作转速通常高于阶临界转速，有时还高于二阶 临界转速。在设计和计算时，为保证和控制转子安全通过临界转速区，避免系统 在临界转速下运行、最大限度的减小轴承和轴承座的附加作用力和系统的振动 4 l 】，使其结构、临界转速的配置更加合理f 4 2 删，通常需建立物理模型，对其i 临界 转速进行计算分析。由于滚动轴承的刚度呈非线性特性，对于滚动轴承支承的转 子系统，如何判断物理模型的合理性和分析的精度，必须利用高速旋转试验机进 行相关试验。通过对高速旋转试验机的高速旋转轴系进行临界转速分析和试验， 建立完蹙的临界转速分析和试验方法，既可验证模型和分析的有效性、进而确定 结构参数对高速旋转轴系l 临界转速的影响，还可为改进物理模型和分析方法提供 依据( 详细内容请见本章1 4 , 2 ) ，即高速旋转试验机也是高速旋转机械动力学分 析的基础。 1 2 高速旋转试验机 第一章绪论 1 2 1 交流电动机等原动机拖动的轮盘旋转试验机 表1 1 为国内部分轮盘旋转试验机蚴。 表1 1国内部分轮盘旋转机 序 试件用动力增试件 单位支承 型式功率转速， 速 n m 。转 1 3 毫 号 型式 途 千瓦转，分比 分 米 1 北京航空航天卧式超转汽车发动机 9 03 0 0 01 1 0 53 0 0 0 07 0 0 大学简支动频 马力 2 南京航空航天卧式超转三相交流电 6 01 2 0 01 1 0 51 2 0 0 06 0 0 大学悬臂动频动机 3 西安交通大学外伸超转直流电动机 1 0 01 5 0 01 62 3 0 0 09 0 0 悬臂 4 西安交通大学下立超转电动机 1 0 01 5 0 02 23 0 0 0 01 2 0 0 5 三机部6 0 6 所简支超转交直流电机 1 0 0 01 5 0 01 6 5 62 5 0 0 01 9 0 0 悬臂循环组 马力 6 三机部6 0 6 所简支超转交流电动机 1 0 01 4 0 01 81 5 0 0 01 0 0 0 卧式循环 马力 7 三机部6 0 6 所简支超转交直流电机 7 2 53 0 0 052 0 0 0 01 5 0 0 卧式动频组 马力 8 三机部6 0 6 所筒支超转直流电动机 1 0 0 03 0 0 0 01 5 0 0 卧式循环 9 三机部6 0 8 所上立超转空气涡轮 1 43 0 0 0 04 0 0 0 08 0 0 1 0 三机部6 0 8 所卧式超转交直流电机 8 0 01 5 0 02 662 5 0 0 02 0 0 0 循环 组 1 1 三枧部6 2 4 所上立超转交直流电机 1 2 51 5 0 01 6 。6 71 4 0 0 0】2 0 0 蠕变 组 1 2 三机部6 2 4 所卧式动频直流电动机 3 6 03 6 0 03 9 73 0 0 0 01 2 0 0 悬臂 1 3 六机部7 0 3 所上立超转空气涡轮 1 43 0 0 0 02 4 5 0 0 8 0 0 1 4 三机部0 1 1 基上立超转直流电动机 1 2 51 4 5 0j 6 81 4 0 0 0 6 0 0 地2 所 1 5 三机部0 1 1 基卧式超转直流电动机 1 0 0 01 2 0 01 2 11 4 0 0 01 8 0 0 地2 所悬臂动频 1 6 三机部0 1 1 基动频直流电动机 1 0 0 01 2 0 01 2 11 9 3 6 0 7 2 0 地2 所 1 7 西安红旗机械卧式超转直流电动机 1 6 51 2 1 01 69 0 0 01 5 0 0 厂 18 南尿汽张电矶立式超转蒸汽透平 2 0 02 0 0 0 02 5 0 0 0 1 2 3 0 1 9 南京汽轮电机卧式超转电机 1 5 0 03 2 0 02 7 0 0 厂简支动频 2 0 上海汽轮电机卧式动频直流电动机 4 2 03 2 0 02 5 0 0 0 1 2 0 0 r - 简支 2 1 哈尔滨汽轮机 立式超转直流电动机 1 2 51 5 0 01 6 6 73 0 0 0 0 1 0 0 0 破坏 2 2 浙江大学上m 超转直流电动机 4 03 0 0 01 1 0 52 5 0 0 0 6 0 0 中营科学技末大学博士学位论文 从表1 1 可以看出，目前轮盘旋转试验机的主要问题有： 1 转速受到限制。拖动方式主要是原动机如交流电动机、直流电动机或空气涡轮 机等，原动机产生的旋转运动必须由增速机构传递给试验机主轴，因此试验设备 体积大，效率低，限制试验转速的提高。 2 控制、测试性能差。由于原动机起动性能的限制和增速装置的设置，使得目前 已有的轮盘旋转试验机很难具有良好的控制性能和起动特性，系统的噪声和振动 大，测试工作难于进行。 3 可靠性差。系统结构复杂，传动链长，控制性能差，真接影响到系统的可靠性。 显然设计、研制更高转速的旋转试验机时，希望取消一切中间环节，提高传 动效率和传动精度，实现原动机对试验机主轴的直接控制。 1 2 2 高速电主轴拖动的高速旋转试验机 高速电主轴是中频交流电驱动主轴的俗称，它实质上是一台高精度、高刚度、 高转速、高可靠性、大功率的中频异步电动机h 7 1 。电主轴拖动具有以下优点： 1 转速高。电主轴以高速见长，尤其适合每分钟一万转以上至十几万转( 有时甚 至兰十多万转) 的场合。 2 传动效率高。电主轴可与试验轴轴向对接( 甚至将电主轴与试验机主轴制成一 体) ，中间没有任何消耗功率的增速装置。 3 传动精度高。电主轴本身采用精密轴承，旋转精度高、振动噪声小，仅向试 验机主轴传递转矩。若采用高弹性尼龙绳式联轴器，还可以阻隔试验机主轴与电 主轴之间振动的相互传递和消除两轴间同轴度误差对彼此的不良影响。 4 起动特性好，易于实现自动监控。由于变频器具有良好的控制功能和良好的 起动特性，且有关参数在变频器上都有显示，完全可以满足很多苛刻的试验要求。 5 可靠性。电主轴拖动使试验装置的转速步到位，避免了增遽装置可能产生 的机械故障。与电主轴配套的有变频器、油雾( 气) 润滑装置( 润滑电主轴轴承并散 热) 和冷却水循环装置( 带走电主轴电机部分产生的热量) 。根据试验要求和经过专 门设计，电主轴能够保持超速、超载、超时试验所需的稳定工作状态，并且承受 住试件破坏时瞬间释放的巨大能量；处在模拟试验的特殊介质环境中，电主轴具 有良好的防污染、防爆炸、抗静电、抗辐射和真空密封性能：采取有效的热隔离 第一章绪论 措施，能够适应超高温( 1 4 0 0 。c ) 或极低温( 一2 5 3 。c ) 试验环境。变频器具有限流限 压、过热、过载保护功能。总之，电主轴拖动避免了传统拖动方式的缺陷，自身 的可靠性也有保证，整个试验机的试验能力和可靠性随之大幅度提高。 国外关于电主轴的研究开展较早，现主要应用于机械制造业。美国福特公司 和i n g e r s o l l 公司推出的h v m 8 0 0 卧式加工中心的6 5 k w 电主轴，最高转速达 1 5 0 0 0 r m i n ，由静止升至最高转速仅需1 5 s ；瑞士d i x 公司的w a f i l i w 5 0 型卧 式加工中心，采用电主轴结构，主轴转速为3 0 0 0 0 r m i n ：日本三井精机公司生 产的h t 3 a 卧式加工中心，采用陶瓷轴承的电主轴，主轴转速为4 0 0 0 0 r r a i n 。 目前，一些主轴电机厂商如西门子( s i e m e n s ) 等已达到可提供专门作为电主轴用的 电机定子和转子，由机床厂装配到主轴配件上去。 我国电主轴的研制和开发始于6 0 年代，主要种类是内孔表面磨削电主轴。 这种电主轴功率小、刚度低，由于采用无内圈式向心推力球轴承，限制了高速电 主轴生产社会化、商品化。7 0 年代后期至8 0 年代，随着高速主轴轴承的开发， 研制了高刚度、高速电主轴，被广泛应用于各种内圆磨床和机械制造领域。如为 电子加工行业数控钻配套的高速印刷电路板钻削用主轴d z z 2 4 ；还有兼作钻、 铣用的d z x l 5 型钻削电主轴；以后又相继开发了带刀库、带气缸的新型高速钻 削电主轴。铣削用高速电主轴应用是从8 0 年代末开始，它不仅能加工各种形体 复杂模具，而且开发了用于木工机械用的风冷式高速铣用电主轴，推动了高速电 主轴在铣削中的应用1 4 8 1 。 此外，食品工业的固体饮料；染化行业的染料：医药工业的药品等粉状和粒 状物质均需用高速离心干燥技术来生产，而高速离心干燥设备也需要高速电主 轴。高速拉伸电主轴的应用促进了我国有色管材精密冷成型技术的发展；高精度 硅片切割机用电主轴，促进了电子工业的设备更新和进步；利用高速电主轴的优 良性能，还可以开发多种高性能试验机，如各种不同种类的轴承试验机。 1 直升飞机轴承试验机”( 见图1 1 ) 图11直升飞机轴承试验机原理图 6 中国科学技术大学博士学位论文 该试验机的主要作用：用于考核直升飞机轴承的使用性能和可靠性。 结构及特点：电主轴通过花键式联轴节带动试验轴旋转，试验轴属简支梁结 构，两端安装试验轴承，中间为加载轴承。采用变频器电主轴试验轴的传动方 式。电主轴输出功率1 3k w ，最高试验转速5 5 0 0r m i n ，无级调速。 2 低温高速轴承试验机1 5 0 】( 见图1 2 ) 图1 2 低温高速轴承试验机原理图 该试验机的主要作用：用于考核高速低温角接触球轴承的使用性能和可靠 性。 结构及特点：试验轴与电主轴一体由高频电主轴直接驱动。试验轴承位于 试验头的座壳中，通过加载轴承向其施加轴向载荷( 2 k n ) 和径向载荷( 3 k n ) 。试 验轴承的工作介质为液氨，温度2 1 2 2 k ( 2 5 3 一2 5 l ) ，试验转速为4 1 0 4 r m i n ( 常温试验转速5 1 0 4r r a i n ) 。试验头与电主轴之间的常温氮气静压轴承 可起到阻隔液氢介质和增加轴系阻尼的作用，使低温高速轴承试验既安全可靠又 运转平稳。 1 3 高速滚动球轴承刚度特性分析和测试 1 3 1 高速滚动球轴承的刚度特性分析 滚动轴承抵抗在外负荷作用下变形的能力称为轴承的刚性，滚动轴承的刚性 具有非线性特性。轴承的刚性用刚度来表征，且将刚度定义为轴承内外套圈之间 产生单位相对弹性位移量所需的外加负荷符“翅。即 k：罂(1-6) 。西 式中，k 为轴承的刚度：f 为轴承所受的负荷，负荷可为力或力矩；6 为相应于 第章绪论 f 方向内外套圈问的相对弹性位移量，可以是径向、轴向或角方向。 按照相对位移的方向，滚动轴承刚度有径向刚度、轴向刚度和角刚度。按照 运转状态，轴承刚度又分为静刚度和动刚度。 由于难以得到动刚度，因此早期滚动轴承刚度数据常采用滚动轴承静刚度 ( 测试方法请见1 3 2 ) 的统计数据，其范围为5 1 0 7 5 1 0 8 n m 3 8 】：也有一些 轴承制造厂商利用简单的滚动轴承静刚度测试方法，专门提供了该企业常用轴承 在不同的预紧力和外载荷作用下的变形量和刚度图表，供读者查阅【5 3 1 。大量工程 实践表明，随着轴承转速的提高，滚动轴承静刚度数据与实际存在很大的误差， 直接影响滚动轴承转子系统动力学特性分析结果的精度，因此需要准确地分析滚 动轴承的动刚度 5 4 4 6 ) 。 球轴承结构简单，但轴承内部各元件的运动及所受载荷则比较复杂，特别是 随着球轴承转速的不断提高，需要考虑的因素也越来越多f 2 7 】f 5 l - 5 2 1 。影响滚动轴承 动刚度特性的因素有：轴承预紧力，滚动体离心力和陀螺力矩的影响【3 3 3 4 】，轴承 几何尺寸误差、游隙以及它们在使用中的变化1 s 7 5 9 】等。另外，滚动体与滚道间在 无接触载荷时，接触为点接触，随着接触载荷增加，接触面积增大，根据赫兹接 触理论，滚动体与滚道问的变形量与接触载荷成非线性关系，且接触点( 面) 的 位置是变化的。由此可见，滚动轴承的非线性动剐度分析是一个非常复杂的问题。 静力学模型是滚动轴承分析的最简单模型【5 l 】 6 0 】，该模型将滚动轴承简化为超 静定系统。首先建立外载荷( 径向力、轴向力、力矩) 和内力( 滚动体与套圈之 间的接触力) 的平衡方程；再假设轴承外圈的外表面、轴承内圈的内表面均为刚 性的，建立计及滚动体与套圈接触处的弹性变形的变形几何方程；然后依据赫兹 接触理论建立接触弹性变形与接触力之间的物理方程；最后联立平衡方程、几何 方程和物理方程得到定解问题的完整方程组。由于物理方程是非线性的，因此此 完整方程组是非线性的。解此非线性方程组即可得到f _ f ( 6 ) ，进一步利用式 ( 1 - 6 ) ，即可得到滚动轴承的刚度k 。文献【6 1 】依据静力学模型，且假定轴承在 载荷的作用下，接触角保持不变，分别得到了滚动轴承径向和轴向刚度。文献 f 6 2 6 4 1 依据静力学模型，进一步考虑了预紧力对接触角的影响，得出了滚动轴承 刚度；且进行了相关实验，计算结果大于实验测得的刚度值，误差约2 0 ，原因 在于滚动轴承静刚度计算所考虑的内外套圈间的相对弹性位移量通常小于实际 值。 - 8 中国科学技术大学博士学位论文 1 9 5 9 - - 1 9 6 0 年，j o n e sa b 提出了拟静力学( a n a l o g o u ss t a t i c s ) 模型