气体箔片轴承-柔性转子系统振动特性理论分析与实验研究

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气体箔片轴承的弹性波箔结构有效改善了轴承的刚度、阻尼特性,除此之外,气体箔片轴承采用低粘度的空气作为流体润滑,具有无污染、低摩擦损耗、高效率等优点,相比刚性气体轴承,气体箔片轴承在高速旋转机械得到了广泛的应用。然而气体箔片轴承在高速阶段有着强烈的非线性特性,以及轴承阻尼有限,使其难以应用于柔性转子。对于气体箔片轴承-转子系统的研究,绝大多数集中在刚性转子,较少研究柔性转子。若可以突破柔性转子技术难点,将进一步扩大气体箔片轴承应用领域。针对这些问题,本文搭建了相应的气体箔片轴承-柔性转子实验台,并建立了线性和非线性理论分析模型,从理论和实验两方面探讨轴承-转子系统一般振动规律,总结出相关减振方法。优化设计原有无法启动气体箔片轴承-柔性转子实验台。改进推力轴承方案,降低启动摩擦力矩,改进涡轮,增大驱动功率。针对气体箔片轴承结构阻尼有限的问题,创新提出串联高阻尼金属丝网O型圈的气体箔片轴承,并进行普通气体箔片轴承和串联O型圈气体箔片轴承静态推拉实验,从静态推拉曲线得出串联金属丝网O型圈可以明显提高轴承的结构阻尼。通过耦合气体箔片轴承动态8参数求解模型和转子有限梁单元模型,建立轴承-转子系统线性分析模型。针对提出的三种常见转子结构,通过模态分析发现转子结构布局会影响自身模态振型和固有频率。然后通过线性分析模型对其进行不平衡响应分析,发现增大轴承跨距能降低转子弯曲临界振幅,有利于柔性转子顺利跨过弯曲临界状态。发现对于同等大小不平衡量,作用于转子不同位置,转子弯曲临界振幅也有差别。然而线性理论分析却无法分析在高速状态下由于流体激励而产生的次同步振动,随后耦合气膜雷诺方程、箔片变形方程、有限单元转子动力学方程,建立了轴承-转子系统全耦合非线性瞬态分析模型,基于该模型模拟转子运动轴心轨迹,并通过傅里叶变化观察轨迹频率组成成分。通过大量计算发现,转子在高速易出现次同步振动,然而可以通过静载荷加载、降低轴承名义间隙等方式来抑制次同步振动。若转速接近弯曲临界转速,转子几乎只表现出同频振动。综合线性与非线性的分析结果,指导设计并进行气体箔片轴承-转子系统振动实验,同时也通过实验验证理论模型正确、合理。然而转子在柔性临界振动太大,易出现安全事故,故通过振动较小的近临界振动实验,得出可通过如下方法来降低转子弯曲临界的振动:(1)通过配重螺钉的动平衡实验,不断调试转子,使转子振动尽可能降低;(2)合理调配轴承名义间隙;(3)增大轴承跨距;(4)串联高阻尼金属丝网O型圈,增大轴承-转子系统的结构阻尼。
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