（机械设计及理论专业论文）圆锥动静压轴承动特性试验研究.pdf

摘要 该文在圆锥动静压轴承理论研究的基础上，首次建立了三维油膜动特 性实验数学模型，利用自制的试验台完成了对该轴承的动特性试验研究， 并将试验结果同理论计算数据进行了对比，得到了一些重要结论。 首先推导出了三维油膜试验数学模型和动特性系数的计算公式，并由 此确定试验方案。按照试验方案，将原具有深浅腔的圆锥动静压试验轴承 及其试验台进行了改造。试验过程中，对不同转速和不同偏心率情况下分 别进行了x 、y 、z 三个方向的激振，利用d a s p 2 0 0 0 信号采集与处理系 统对响应信号进行了采集与分析处理，然后利用m a t l a b 的强大计算功 能首次得到了三次激振时各种转速、各种偏心率下的1 8 个动特性系数实验 数据，并与理论计算结果进行了比较与分析。最后，得到了以三维实验数 据为基础地该圆锥动静压轴承的稳定性判据。 本实验模型和实验结果相对于传统的二维实验模型和结果来说应是一 个进步，因此它对该轴承的进一步研究和工程应用具有一定的指导意义。 关键词圆锥动静压轴承，动特性，稳定性，动态激振 论文类型应用基础 a b s t r a c t i nt h i sp a p e r ，b a s e do nt h et h e o r yo fc o n i c a lh y b r i db e a r i n g ， f o rt h ef i r s tt i m e ，t h em a t h e m a t i c a lm o d e lo ft h ee x p e r i m e n to ft h e d y n a m i c c h a r a c t e r i s t i cf o rt h et h r e e d i m e n s i o n a lo i lf i l mw a s e s t a b l i s h e d ，a tt h es a m et i m et h ed y n a m i cc h a r a c t e r i s t i ct e s tf o r t h isk i n do fh y b r i db e a r i n gw a sa c c o m p lis h e do nt h es e l f - m a d et e s t s t a n d ，t h er e s u l to ft h et e s tw a sa l s oc o m p a r e dw i t ht h et h e o r e t i c a l c o m p u t a t i o n f i r s t ，i nt h i sa r t i c l e ，t h em a t h e m a t i c a lm o d e lo ft h ee x p e r i m e n t f o rt h et h r e e d i m e n s i o n a lo i lf i i ma n dt h ec o m p u t a t i r ef o r m u l a so f t h e d y n a m i c c h a r a c t e r i s t i cc o e f f i c i e n t sw e r ed e d u c e d s ot h e e x p e r i m e n t m e t h o dw a sd e t e r m i n e da l s o o nt h eb a s i so ft h e e x p e r i m e n tm e t h o d ，w em o d i f i e dt h es t r u c t u r e sa n dm e a s u r e so fo n e c o n i c a lh y b r i db e a r i n gh a v i n gd e e p s h a l l o wr e c e s s e sa n di t st e s t s t a n d d u r i n gt h ee x p e r i m e n t ，t od i f f e r e n tr o t a t i o n a ls p e e da n d d i f f e r e n te c c e n t r i c i t y ，w es t i m u l a t e dt h eb e a r i n gi nt h ed i r e c t i o n s o fx 、ya n dz i n d e p e n d e n t l y t h e nw i t ht h es o f tw a r ed a s p 2 0 0 0w e c o l l e c t e da n dt r e a t e dt h er e s p o n s i v es i g n a l s ，u s e dt h es t r o n g p o w e r o fm a t l a bg o tt h e1 8d y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c so fe v e r yr o t a t i o n a l s p e e da n de v e r ye c c e n t r i c i t yf o rt h ef i r s tt i m e b a s e do n t h e g e t t i n gr e s u l t ，t h ec o m p a r i s o n w i t ht h et h e o r e t i c a lc o m p u t a t i o nw a s d o n ea tt h es f m l et i m e a tl a s t ，w ed e d u c e dt h ed e c i s i o ns t a n d a r d a b o u tt h es t a b i l i t yo ft h i sk i n db e a r i n g t h em o d e la n dr e s u l to ft h i se x p e r i m e n ta r et h e i m p r o v e m e n t r e l e v a n tt ot h et r a d i t i o n a lt w o d i m e n s i o n a lo i lf i l m , s oi tw i l l b eo fg u i d a n c e s i g n i f i c a n t t oo t h e re x t e n ds t u d yo ft h i sk i n d c o n i c a lh y b r i db e a r i n gi ne n g i n e e r i n ga p p l i c a t i o n k e y w o r d s ：c o n i c a l h y b r i db e a r i n g ，d y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c ， s t a b i l i t y ，d y n a m i ce x c i t a t i o n t h e s i s ： a p p l i c a t i o nf u n d a m e n t a l s 1 绪论 一引言 自b t o w e r 首次从机车轮轴轴承实验中观测到流体薄膜中能产生动压力，1 8 8 6 年 r e y n o l d s 在此实验基础上建立著名的r e y n o l d s 方程一个多世纪以来，滑动轴承在理论 和实践方面都取得了长足的发展，在国民经济中发挥着重要的作用。 现代工业的发展对高速重载和稳定性提出了越来越高的要求，动静压轴承也因其 特有的性能得到了越来越广泛的应用。动静压轴承综合了静压轴承和动压轴承的优点， 即在低速和高速时都具有较好的承载能力和动态性能，有较宽的速度范围和无摩擦工 作区域，较高的位置精度和旋转精度，有较好的稳定性等一系列优点。动静压轴承的 结构形式多样，根据有无油腔可分为有油腔和无油腔两种，对无腔式动静压轴承，目 前研究较广泛的是那些具有普通圆柱动压轴承外形的轴承，由于缝隙节流或小孔的节 流效果，使轴承除具有动压承载能力外，同时具有一定的静压承载能力，由d 。k o s h a l 和w b r o w e “2 “ 等人的计算结果可以看出，这种结构的轴承其承载曲线在趋势上 比较接近动压轴承，亦即动压效应强，目前，国内外研究较多的是这种无腔式动静压 轴承，并通过优化计算得到了比较合理的结构参数4 1 。有腔式动静压轴承由于腔的形 式及其结构不同而具有多种形式，因而也具有不同的特性。丁振乾等曾讨论了动静 压轴承的油槽、油腔形状，封油面等油腔结构参数对动静压轴承承载能力及抗振性等 的影响，并提出了改善轴承性能的若干方法。季振华巧1 用差分法计算了无外节流的浅 腔固有节流动静压三阶梯轴承，并对此结构参数进行了优化设计，指出这种轴承具有 较高的动静压混合承载能力和低流量等特点，并推荐采用长径比大于1 0 的三腔、四腔 结构，以充分发挥阶梯油楔的承载能力。根据承载形式不同可分为径向、推力、圆锥 以及径一推轴承等。随着滑动轴承在理论和实践中的逐步完善，其在冶金、矿山、石 化等行业得到了广泛的应用。 二圆锥轴承的发展状况 圆锥轴承的理论是在圆柱轴承的基础上逐步发展、完善的。就己查阅的资料看， f m s t a n s f i e l d “1 曾对单腔和多腔圆锥静压轴承的一维流情况用近似解析方法作过分 析，作者将锥角小于9 0o 的轴承转化为当量的向心轴承，大于9 0o 的轴承则转化为当量 的推力轴承，以借用向心轴承和平面推力轴承一维较完善的理论，得到了计算圆锥轴 承在一维流动假设下的有效面积、阻力、承载能力、刚度、流量和泵功耗等性能指标 的近似解析解，并讨论了几种加工圆锥轴承油腔的方法。t j p r a b h u ”1 曾用解析法分 剐对小孔和毛细管节流的环形腔圆锥轴承一维流状态导出了c o n s t a n t i n e s c u 球面坐标下 绪论 封油面上压力分布表达式，并得到了静态承载能力、流量、静态刚度、封油面上的摩 擦功耗以及动态刚度、阻尼的解析解，并用差分法计算了在计入旋转惯性、轴线倾斜 时的环形腔圆锥轴承二维流时的静特性值及动刚度和阻尼系数。a e l k a g a r 等姑1 对 圆锥静压轴承的非牛顿流体工作状态进行了研究，这种静压轴承轴端设有静压腔，在 整个圆锥面上油膜厚度连续，分析了锥角、油腔大、小端半径比、转速及供油压力对 轴承性能的影响，并用实验证明了其理论分析的正确性。国内路长厚坤1 等对圆锥轴承 做过专门研究，建立起了圆锥滑动轴承的计算模型、分析方法，并编制出相应的有限 元通用计算程序，通过此程序能研究锥角对轴承性能的影响，并通过实例验证了程序 的准确性、可靠性。苏智剑针对以极坐标形式出现的雷诺方程，对求解圆锥滑动轴 承润滑问题的有限元方法进行了讨论，给出了相应的极坐标形式的有限元计算公式， 减少了计算过程中反复的坐标变换，提高了运算速度和计算精度，同时将这种方法运 用到圆锥螺旋槽轴承的润滑问题，对其进行了试验验证，取得了满意的结果。圆锥轴 承的优化方面所做的研究极少，z k a z i m i e r s k i “”用线性方法对气体圆锥轴承的简单情 况作过优化设计，目的是求得一个使轴承稳定性最好的最佳锥角。 动静压方面，原郑州工学院润滑理论研究室做了大量的研究。方晓丽2 1 在其毕业 论文中对具有深腔、浅腔和节流器的多腔圆锥动静压轴承作过系统的分析，用有限元 法求得了圆锥动静压轴承油膜的压力场分布，并求得毛细管及内节流情况下轴承的静 动特性，分析了轴承工况系数和结构参数对其性能的影响，定性地分析了这种结构的 稳定性及其影响因素，在优化设计部分，用混合惩罚函数法调用无约束优化p o w e l l 法， 以单位承载能力的功耗最小为目标，对轴承腔各部分几何参数进行了优化计算，最后 通过试验对理论分析的结果进行了验证。禹艳萍n3 1 对计入轴瓦弹性变形的圆锥动静压 轴承静特性进行了分析，运用唐钟麟提出的统一解法n 4 1 对所提问题进行了讨论，对半 锥角为0 5o 、1 0o 、2 0o 的四腔轴承对应于无量刚弹性模量e = 3 0 0 ，泊松比“= o - 3 两种 材料的静态性能进行了分析与比较，得出了一些有益的结论1 。作为一种腔式动静压 轴承，和圆柱轴承一样，圆锥动静压轴承的性能受许多因素的影响，其中节流器和油 腔形状的影响比较大，从以往人们对静压和动压轴承的研究中发现，单纯研究节流器 对提高静压、或动静压轴承的实际工作性能往往很有限，因此国内外学者逐渐重视对 腔的结构形式及参数的研究上，其中苏智剑对圆锥螺旋槽轴承的性能进行了分析“”， 并分别对几种参数下的轴承静特性进行了计算，杜建国”等对圆锥形整体动静压轴承 的制造工艺进行了探讨，并将其在m g l 4 3 2 b m 及g a l 4 3 2 b 等磨床上使用，头架主轴 回转精度达到0 0 0 0 1 m m ，在砂轮架上应用，回转精度小于o 0 0 0 5 m m ，动刚度大于 2 0 0 k n 丘m ，承载能力比静压轴承大为提高。 三课题提出的背景及研究意义 在许多场合，起支撑作用的轴承，既要承受径向载荷，又要承受轴向载荷，一般 情况下，可以用向心轴承和平面推力轴承的组合结构来实现。但随着工作转速的提高， 平面推力轴承的摩擦功耗将急剧上升，且因离心力的影响，承载能力也下降，因此在 高速、超高速情况下，这种结构的轴承存在许多缺陷。而圆锥轴承工作时仅在其锥表 面上存在油膜的摩擦功耗，显然功耗相对较小，另外，圆锥轴承的结构简单，加工工 作量小，占用空间少，而且其半径间隙在轴承结构设计完成及制造后，仍可通过装配 来改变，从而大大改善了轴承的工艺性能。 在转子一轴承系统中，油膜的动特性对转子系统的动力特性有很大的影响，转子 系统的临界转速、转子不平衡所引起的振幅、过临界转速时的共振放大倍数、转子系 统的稳定性等都与油膜有关，很多情况下，油膜本身就决定作系统的稳定状况，目前 有关滑动轴承的理论，大都是基于圆柱轴承得来的，圆锥轴承的理论也是在圆柱轴承 的基础上进行的研究，并且作了大量的假设，试验方面，圆锥轴承的研究就更少，通 常将锥角较小的圆锥轴承近似为具有平均直径的圆柱轴承，锥角较大的轴承( 9 0 o ) 又按近似的推力轴承来对待，而对其动特性的试验，目前都采用圆柱轴承理论的二维 数学模型，而圆锥轴承下其油膜是典型的三维油膜，用二维方法显然会存在误差。 综上所述，经查阅有关资料和调查2 川1 6 11 1 7 1 圆锥动静压轴承的应用和现状有 以下特点： ( 1 )应用广泛。由于其即能承受径向力，又能承受轴向力，在工作时摩擦 功耗小等特点，其在某些场合有着不可替代的作用，工业中有着广泛 的应用。 ( 2 )结构合理，工艺性能好。由于其油膜间隙可调，即使在轴承加工完 成以后，也可根据需要来调整其油膜间隙，因此被很多场合采用，同 时可大大降低成本。 ( 3 )目前研究尚待完善。目前对圆锥动静压轴承理论方面的研究已非常 成熟，但在试验方面特别是动特性试验方面的研究还有很多不足，以 往的试验都是以二维模型为基础进行的，应该对其寻求三维研究模型 和理论。 因此，研究动静压圆锥轴承的动态特性，确定其最佳工作状况、最佳特性等对工 程实际具有重要的指导意义。试验方面，目前圆柱轴承的理论已非常成熟，绝大多数 可查阅的文献上所记载的也都是有关圆柱轴承的n 钔t 2 2 1 ，对圆锥轴承的试验验证上， 尽管国内外学者也做了大量的工作，但这些试验仍然是以二维方法来研究的，本文拟 从三维方法入手，对圆锥动静压轴承动特性试验进行研究。 四本文主要工作 本课题所有工作都将围绕如何建立三维油膜的动特性试验模型及试验方案的确定 与实施，针对这一问题，本课题将在二维油膜理论的基础上逐步解决三维问题，因此， 必须首先建立相应的数学模型，然后在力学模型的基础上设计试验方案，对现有实验 台进行改造，对实验所得的数据进行处理、计算，与理论计算结果进行比较，最后分 析得出结论。据此，本课题的主要工作将包括以下几项： 1 建立三维油膜动特性物理和数学模型； 2 设计试验方案； 3 处理数据并与理论计算进行比较； 4 分析得出结论。 须解决的关键问题有： 1 如何建立数据处理的三维数学模型： 2 试验方案的确定： 3 实验台的改造； 4 试验数据的处理； 5 分析结论。 试验原理及试验方法 2 试验原理及试验方法 2 1 引言 滑动轴承试验的理论基础是其数学模型，数学模型建立得正确与否直接决定着试 验方案及结果的可信度。滑动轴承试验数学模型的理论基础是各种形式的雷诺方程， 圆锥动静压轴承动特性试验的数学模型同样也是以相应的雷诺方程为基础的。有关圆 锥轴承的理论研究已较完善，试验研究的工作也有很多盹”吨4 1 t 2 5 1 但以往的试验大都 是在二维油膜理论下进行的，这样其数学模型也就简化为了二维模型，而圆锥轴承下 的油膜是一典型的三维油膜，这样的简化虽有一定的依据，但却不是真实情况的反映。 本章就从三维方法入手，对圆锥动静压轴承试验的理论进行研究。 本章主要解决如下问题： ( 1 ) 基于圆锥轴承的理论建立相应的试验数学模型； ( 2 ) 针对数学模型确立本次试验的方法三次激振法。 2 2 试验原理及数学模型的建立 2 2 1 传统二维油膜实验数学模型 动静压轴承油膜的动特性反映了轴承在高速运转时的动力学特性，如临界转速、 不稳定性和对不平衡的响应眩6 1 2 7 1 。当轴颈受扰动而偏离其平衡位置时，油膜压力发 生变化，若扰动微小则油膜力随扰动而发生的变化可看作是线性的，故油膜的动特性 可用刚度系数和阻尼系数来表示。在圆柱滑动轴承中，其动特性用4 个刚度系数和4 个阻尼系数衡量。对圆锥轴承的试验研究，通常将锥角较小的圆锥轴承近似为具有平 均直径的圆柱轴承，锥角较大的轴承( 9 0 。) 又按近似的推力轴承来对待，而对其动 特性的试验，目前都采用圆柱轴承理论的二维数学模型。 图2 1 轴承油膜动力学模型 试验原理及试验方法 基于线性理论建立起来的轴承油膜动力学模型如图2 1 所示，轴和轴承间的相对 运动简化为图2 1 右的一个单质点两自由度系统，轴与轴承之间的一层油膜起着弹簧 和阻尼的作用，除了x 和y 方向各有一个弹簧和阻尼外，还有两个交叉弹簧和交叉阻 尼。以k 表示轴承油膜的刚度系数，以b 表示阻尼系数。小扰动力f x 、f y ( 分别在 x ，y 方向的作用力) 当轴心o s 在其稳态平衡位置附近振动时，可看作是x 、y 方向位 移和速度的函数，记作： f ，( x 肌i d x ，- t ) ，f ，( xm i d x ，誓) x 、y 均为时间t 的函数。 在静平衡状态下有：f _ o 。= ：f o 。( 。x ，o 。, ，y y o 。, n 0 , 0 。) ， 将f x 、f y 在t = o 处用t a y l o r 级数展开，对微小量f x 、f y 可以略去二阶以上的各 项，则有： n = c 。+ 等f + 等p + 等p + 等伊 乃：r + 堡h 堡k 堡h 堡p 耻o + 吾i o + 若胪吾1 0 + 首f 其中，t = 妄，夕= 罢 并定义： 刚度系数 k = 警，= 等，k = 等，= 鲁 阻尼系数 民= 豢，= 等，= 誓，b 。= 鲁：珊 咖 7 傩 甜 且有暇= c c 。墨= 一。 代入式( 2 1 ) 有： 8 f x=kx xx +k+b n2 b ”j 、 占f ，= kw 工+ k 。，y + b 砷z + bw 岁1 试验原理及试验方法 即： 纠= k i 孔 + b b ：钏习 如果给试验轴承施加微小的激振力隆卜试验轴承的受力情况如酗z 所示 其运动方程为 即 m 计一例 图2 2 轴承受力简化图 m ； + 七k ：k 2 q ， j f l y x j + f ：ib b “， j l y 量 j = ：置 x 2 2 2 三维油膜实验的数学模型及原理 圆锥轴承由于锥角的原因，所以圆锥轴承下的油膜是三维油膜，则圆锥轴承相应 的应有9 个刚度系数k 。和9 个阻尼系数b 。( i ，= x 、y 、z ) ，将其简化为具有4 个 刚度系数和4 个阻尼系数的二维模型势必会有较大的误差。如图2 3 所示，圆锥动静 压轴承轴和轴承之间的相对运动可简化为个单质点三自由度系统的力学模型，假定 转子一轴承系统稳定工作，取稳定工况下轴承轴向对称中心线为z 轴( 则z 轴即为轴 承工作的平衡位置) ，径向水平为z 方向，径向竖直为y 方向，z 轴上轴承的轴向中点 为原点建立三维坐标系，一般来说，对于一个己知轴承，油膜力仅为轴心的位移和速 7 试验原理及试验方法 度的函数 即可表示为： 在静平衡状态下有 图2 3 轴承油膜动力学模型 f t 。= 只。( z 。，y 。，z 。，0 ，0 ，o ) 0 0 = 0 0 ( 工o ，y o ，z o ，0 , 0 ，0 ) l e o = c 。( x o ，y o ，z o ，0 , 0 ，0 ) 将油膜压力在静平衡位置处对扰动按t a y l o r 级数展开有： c 哦+ o x 缸+ 等洲 嗨+ 誓 c ：疋。+ 军 m 。妙+ 筝 。蚺詈l 心+ 考l 心+ 詈卜zla yl0 z 。 。缸+ 等协+ 誓恤+ 詈f 4 + 考l 心+ 詈p 4 。缸+ 挈 d v m 瓢蚺o 圳f , o a ；c + a 驯f , 。西沙； 定义- 吧u 吨，等= b ，警= k ，孚d x = 鲁吨，印 磁 。 咖 “ 眠， i 卸” 冬吨 d x 舒。， = 6 。 a z 等= 等= 堡a z = k 为刚度系数， 冬： dv 冬：k d x 冬：k ， d z a ， 2d d 工 a f v。 。d w dv 冬：b 一。，冬：西。为阻尼系数，2 。，2 刀p 且j 日乐致， a y a z 8 ) ) ) z三z ， ， ， yyy ， ， ， 工工互 ， ， ， z z z ， ， ， y y y ， ， ， x x x ( ( ( x y z f f f = | i = 以t ，、j【 于是有 即 试验原理及试验方法 f 主：萎 = 妻笔芝 墓 + b = b j y ：b i = j fl皇a-： 峨 k i 嵋i = lk l 峨jl k k k k 试验台采用倒置结构，这时如果给试验轴承施加微小的激振力 毳 ，则试验轴承 由于受油膜力和激振力的关系，其运动方程为 ia x 。 m ia y 。 la z 。 + 式代入整理有 矩阵表示为 陧 k k k f 崛 图 。缸+ 庀w 缈+ 七。a z + b 。a x + a y + b 。a z + m a x 一2t k y t a x + k 口y + ka z + b 盯a x + b 忖a y + b 口a z + m a y 4 七x + 七纠y + 七矗a z + 6 “a x + 6 纠a y + b 玎a z + m az a = t 式中缸、a y 、 分量( 分别为水平、 b q b b “ a z 、a x 、a y 、z 垂直、轴向) ，；。、 x a y a z la x a i， + m i a y ia z= 引 为轴承中心相对轴颈的相对位移及相对速度 a y 。、a z 。为轴承中心的绝对加速度分量 m 为浮动轴承体的总质量，t 、l 、t 分别为激振力的水平、铅垂、轴向分量，由 9 1，j x y z 。l 1j 船 声 嚣 6 6 6 b 助虹畛坛 。l 1，j 血妙止 ，。，l 1l，j 缸缸肠 1lj 眩 p。l + ，j 缸缈出 。l _-_，_j b 忙纷 激振器产生 t = 正p 当瞬态运动消失后， x = az y = a y az = z l = 殛忡r 轴承中心作简谐运动 oe 。( 。卜9 f ) x 。 oe 。( 。7 9 ， a y 。 o 已。( 。一9 1 ) z a 正= 正p “” 其中缸。、知。、a z 。、a x 。、a y 。、。为位移幅值( 实数) ，致、吼、p ：、 、妒m 为位移滞后与激振力的相角，妒，为0 滞后与激振力的相角，y ，为t 滞后与 激振力的相角。 由式有： x = f x o 已【。一9 t ) ax d = 一2 a x 口。p 1 ( 一p w ；= i c oa y 。8 “1 ) 。；一2 y 岫一” 2 = a z 。e 。一9 z ) z 口= 一c o 2 a z 。g 【。一p * 将代入+ 式得 七。a x 。”9 + 七w 匈o ”卟+ 七。a z “吼+ i 0 9 a x o b 。p 。( “礼) + i c o a y o b 砂e 。卜竹+ i a ) a z o b 墨e 科呻纠一m ( 0 2 a x 口0 8 。( 州一p 阳) = l p ，m 七声a x 。p h 酬一吼) + 尼。e l l 酬一唧) + 足档三。p 1 ( 删一) + i a _ ) a x 。b ，。p ( 。卜n ) + i m 少。b p h 酬一卟+ i o g a z 。b f p 耐呻川一肌出2 a y a 。曰4 。一妒= 正已( f _ 竹) 尼蹦a x o 小n + 七掣知o 州一q + 七荔a z o p “一+ i c o a x o b a p 恤卜虬+ i a ) a y o b 掣p 1 9 + i a ，a z o b 口扩一划一1 1 1 0 ) 2 a z 。删一) = l p 物一r ) 消去e “得 k 。a x o e 七k w 姆o e 。+ k 口a zo e l2 + i o a x o b 。e q ，+ i o g a y o b f e l 9 + i c o a z 0 6 e 一“一2 c d 2 a x 。o 口一p u = 互 后”a x o e 叫9 。+ 七少o p 叫9 7 + 七芦三o p 一吼+ i a ；a x o b 侬p 一+ f 功缈。p 叫卟十i a ) a z o b 芦g 叫一r r l ( o2 a y 。o g 叫矿声= 疋p 嘞 七嚣a x o e 叫妒+ 七纠匈o g 叫9 7 + 七船a z o 一儿+ i c o a x o b “e 一。纯+ i c o a y o b 矽p 叫竹+ i c o a z 0 6 芷p 一吼一，打c u2 a z o p 一矿“= 瓦p 一p r 1 0 、【，】 j m 州 p p p 一 一 一 m # p p p 0 0 o 口 d 口 x y z | l 1 1 = 矩阵表示为 试验原理及试验方法 kbk 卜e 1 7 卜 k fk k f ilz x y o e 。雌i + ib f t 。t ，哥。j l a z o e l “j l a 。纠 缸n e l “ w a y o p 一7 竹 o a z o e 一 衄。o p “ 。：i 缈舻1 ia z “陲： 将式虚实部分开得： 七积a x oc o sn p ，+ 足掣a y oc o s p y + 七盯a z o c o s t p ：+ c o a x o b 烈s i nt p ，+ c o a y o b s i n ( a y + c o a z o b 口s i n t p ：- m 0 0 2 a x d o c o s c p m = 五 寿w a x os i n 彼一j ”a y os i n 吼, 一女：a z 。s i n t p ：十c o a x 。b “c o s ( , o ，+ c o a y o b q c o s c p y + c o a z o b c o st j p z + m 0 0 2 a x 。os i n 吼d = 0 k n 。a x oc o s c px + k 口弩o c o s p y + k f a z qc o s q ，z + c o a x o b y = s i n 6 p 。+ m a y 。b s i n ( o y + c o a z o b ”s i n t p ：一m 0 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x 。o 、。o 、垃。o 、致、吼、优、p 。、妒，、p 。) 是待 匝困 1r l 功率放大器 图2 4 测试方框示意图 试验原理及试验方法 鞋kxyk嘏kkk = 圈 1 ，女。，li y1 2 1 弓l l 。，。ll 止j忸j k ，ki 竞七声i k dk 。1 加增量载荷t = 0 ，l 0 ，疋2 0 ，测得缸2 、缈：、a z 2 = 吲 删睢k,cyk七k揠ayk k a z 0 得到l ，j 。，il：l2 l 弓1 l 七秽芷1i：jil 加增量载荷t 2 0 ，l 2 0 ，0 ，测得a x 3 、a y 3 、a z 3 矧鞋k 骓ka z ，i 。b 。ii，il t j 胜 ” 甜 t 七 ，l 0至得业 、 妙 缸得 测 o = 乏 j 燮蔓麴鲨 态方程组) 将测量值代入方程组，最终可得1 8 个关于动特性系数的线性方程组 隧x y ：k：xx 陛 k f k k k w k f k d k f 七 k 隧k x y 到 + | ! | i - 隆 b 。b 。b + j 6 ，b ，l l bb ，6 。i m 西 乏慷矧陋 k jl a z ：。s i n ，jh m 吐一 1 4 纠 到 q z h l dc o s 仍。 q z 妒1 0c o s 仍， q 出】0c 0 8 仍； o i 疋2s i n ”i l s i n y ：，j c o s 仍rl c o s y 3 ，j 1，j z ， z饵吼仍 n n n 吼虬 洲 o o 0 缸妙& q q 峨 f。，l1，j ” ” 船 6 6 6 1，j j y ： 仇仍钆 s s s 主| 0 0 o 缸妙出 ，l 1iilj_iflj 船弘 1，j 涫 盯 p y 傩 c c l 墨一 r。，l llllj 加 归 柑许伤吼 ； 瞄 螂 神 册 加 肼嘶脑 p，。，l 丘髓 ，。ll，j b b 劬 1llj n n n s s s 0 o o缸母缸 _。l 1，fj r ?妒矿 n n s s o i 墨 ，l w 呈、 甜吼奶魏 n n n 虬轧 吼 神 柏宦 吐竹 i ， f吼娩 n n n 豇吼 洲 幻 如 暑：血妙缸 胁础加 啷 啷 瞄 脚跏脚 ，。l 1ll，j b b 1，j 玎 够y s s o 0 c c 疋乃 ，。，l 1，ll，j 埘 胛 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传感器安装的位置及其对实验结果影响、安装过程中要注意哪些因素，这些都是我们 试验前要考虑的问题。本章就将对试验台的各个环节尤其是传感器在安装中应注意的 问题进行详细的研究。 3 2 试验台及试验装置 本次实验中，首先设计了一套圆锥动静压轴承及其相应的试验方案来测定该轴承的 动态参数，并根据相似理论 3 4 17 通过相似变换将试验结果应用到实际轴承设计当中。 图3 1 为试验台外观图。 实际滑动轴承支承系统中，轴承是固定的，通常把试验轴承固定的试验台称之为 正置结构。对于正置结构的试验台，由于轴是旋转的，很难对它施加接触的或非接触 的载荷，因而较少采用。通常采用倒置结构的试验台，在这种试验台中，轴只作名义 上的旋转运动，试验轴承在轴上浮动，即在载荷作用下试验轴承可在垂直于轴线的平 面内平动。本次试验台采用倒置结构，如图3 1 所示。该试验台的基本结构包括加载 装置、测量装置、驱动和传动装置等，以满足不同速度、不同载荷下的试验研究用。 图3 1圆锥动静压轴承试验台结构示意图 1 6 试验装置及测试系统 3 。3 圆锥动静压轴承试验装置基本结构 1 、加载装置 ( 1 ) 径向部分加载方式及加载装置 如图3 2 ，中间为试验轴承，两端为试验台主轴的支承轴承。该动静压轴承受径向 载荷比较大，所以使用液压缸通过静压垫来加载。静压垫可保持受载轴承的自位性， 方便于摩擦力矩的测量。由于静压垫在静止低速时的摩擦系数很小，所以这种加载装 置是可行的。 图3 2径一推联合浮环动静压轴承径向部分加载方式 ( 2 ) 轴向部分加载方式及加载装置 如图3 3 示，在轴承外套端部加一环套，该环与一加载支架相联，悬臂于轴承试 验装置的一个侧面。通过加载支架就可以对试验轴承旌加轴向载荷或者轴向激振。 1 7 试验装置及测试系统 图3 3圆锥动静压轴承轴向加载方式示意 2 、驱动方式 采用直流无级调速电动机驱动，可以从零转速开始增速到任意转速( 4 0 6 m m ， 垂直安装时d c y 3 5 6 m m ，本次试验中d p x 、d c y 都大于相应的最低要求。 探头1 探头2 t i 竿l z ； z , | 图3 1 3 各探头之间的距离 3 4 4 探头头部与安装面的距离 探头头部发射的交变磁场在径向上和横向上都有一定的扩散。因此在安装时，就 必须考虑安装面导体材料的影响，应保证探头头部与安装面之间不小于一定的距离， 工程塑料头部要完全露出安装面，否则应将安装面加工成平底孔或倒角，如下图所示。 试验中探头头部与安装面的距离都符合传感器的要求。 掳 毳 一 毳 图3 1 4 探头头部与安装面的距离 试验装置及测试系统 3 4 5 探头安装间隙 安装探头时，应考虑传感器的线性范围和被测间隙的变化量，当被测间隙总的变化 量与传感器的线性范围接近时，尤其要注意。通常，测量振动时，将探头的安装间隙 设在传感器的线性中点：测量位移时，要根据位移往哪个方向变化或哪个方向的变化 量较大来决定其安装间隙的设定，当位移向远离探头端部的方向变化时，安装间隙应 设在线性近端：反之，则设在线性远端。本次试验所测的量是系统对激振后的响应， 可以认为是测量振动的，且振动量很小，所以将安装间隙设在传感器的线性中点。 在确定探头的安装间隙时，我们是通过测量前置器的输出电压来确定，这时要避 免可能会产生的一种假象，当探头头部还没有露出安装孔时，由于安装孔周围的金属 影响，可能使得前置器的输出等于安装间隙所对应的电压值，但这时探头测量的不是 需要测量的被测体。探头调整到正确的位置，前置器的输出应该是：首先是较大的饱 和输出( 此时探头还未放进安装孔中) ，然后是较小的输出( 此时探头放进安装孔内) ， 继续将探头塞进安装孔，前置器的输出会变为较大的输出( 此时探头头部露出安装孔， 但与被测面的间隙较大) ，再继续塞进探头，前置器的输出等于安装间隙所对应的值， 此时探头才是正确的安装间隙。 3 4 6 前置器的安装 作为传感器系统的信号处理部分，前置器对工作环境的要求比探头严格的多，应 将它安装在远离危险区，其周围环境应该无腐蚀性气体、干燥、震动小、环境温度与 室温相差不大的地方。为了防止不同的地电位造成干扰，必须采用单点接地，为了屏 蔽外界干扰，前置器外壳直接与系统地相接。 3 4 7 数据采集分析系统 本次试验所用的数据采集分析系统是东方振动与噪声研究所开发的d a s p 2 0