超声挤压轴承-转子系统动力学特性研究

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转子系统是旋转机械的核心部件,轴承是旋转机械中最常用的支撑传动零部件。现代旋转机械中转静子的相对转速越来越高、转静子之间的间隙越来越小,因此,如何有效地减少转静子接触面间摩擦具有重要的意义。而近年来,近场超声悬浮效应作为一种新颖的抑制振动的方法,被广泛应用于各种领域,其具有超声悬浮、超声减摩等作用,因此研究超声挤压轴承抑制转子振动具有重要意义。本文具体研究内容如下:(1)研究了一种新型的超声挤压轴承。其由压电陶瓷矩形薄片与金属铝薄壁圆筒组合而成,即六片尺寸为15×5×1mm的压电陶瓷薄片分三组两两连接且互成120°夹角均布于薄壁圆筒外表面上。与传统的平面、凹面超声轴承相比,该新型全包容式超声挤压轴承能够提高轴与轴承之间相互作用面积、增大挤压膜效应、提高承载力、改善轴向对中性。(2)进行了超声压电换能器的模态分析。当压电陶瓷产生的振动频率与金属圆筒的谐振频率相同时,将会产生共振,此时压电超声换能器达到最佳工作状态。利用ANSYS软件对压电换能器进行了模态分析,得到其振型及谐振频率,确定适用于超声轴承的压电换能器的振型及其工作时的最佳频率;并且探究了金属薄壁圆筒的基体结构尺寸(包括厚度、内径)等因素对换能器谐振频率与振型的影响,得出以下结论:换能器的谐振频率大小与内径尺寸成反比与壁厚成正比。根据所得结论可确定压电超声换能器的最佳尺寸。(3)进行了超声轴承悬浮机理的研究。本文通过声辐射原理求出超声悬浮气体挤压膜的解析公式;以流体力学为基础,从气体润滑原理出发,推导了气体挤压膜雷诺方程。从微元法的角度出发,对粘性流体动力学连续性方程进行简化求解,运用二阶近似法求解出气体挤压膜的解析解,并运用有限差分方法对超声气压膜的雷诺方程进行简化求解。通过求解分析出给定超声波频率时超声悬浮力与悬浮间隙、超声波振幅等因素有关,其关系如下:超声挤压轴承悬浮力随着悬浮间隙的增大而逐渐减小;随着超声波振幅的增大而逐渐增大。(4)进行了超声挤压轴承-转子系统的动力学特性分析。利用Newmark-β法对超声挤压轴承-转子系统进行动力学分析,探究了给定超声波频率时不同悬浮间隙、不同超声波振幅对转子系统振动相应的影响。可得出结论:悬浮间隙与抑制效果成反比,超声波振幅与抑制效果成正比。(5)进行了超声挤压轴承-转子系统的振动抑制实验。根据理论仿真结果,采用单一变量原则,给定超声波频率,利用电涡流位移传感器进行信号监测,利用NI采集卡采集转子两个方向的振动信号,探究了固定超声频率时不同悬浮间隙、不同超声波振幅对转子的振动抑制效果,实验结果与理论仿真分析结果一致。
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