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航空发动机、压缩机、汽轮发电机组等旋转机械是中国国防力量和工业生产的关键设备,这些大型装备普遍存在由于不平衡质量导致的过临界振动较大问题,使设备无法正常开车运行。此外,齿轮传动系统作为机械装备中应用最广泛的动力传输装置之一,在内部和外部激励作用下产生的振动问题是影响其运行稳定性和使用寿命的关键因素。这些设备的振动问题已严重制约我军装备战斗力的提升和企业经济效益的提高,因此研究新型的、易于工程应用的转子及齿轮系统振动控制方法迫在眉睫。
本文围绕旋转机械由于不平衡质量导致的过临界振动较大和齿轮传动系统普遍存在的振动问题,研究基于整体式挤压油膜阻尼器(ISFD)的振动控制新技术和新方法,结合理论分析和实验研究,对ISFD在转子及齿轮系统中的减振特性进行了研究。本论文的主要工作如下:
1、在不考虑油膜刚度影响的情况下,研究了ISFD不同结构参数对其径向刚度的影响规律,结果表明ISFD的径向刚度随其轴向长度的增加而线性增大,随油膜间隙的增大而近似线性减小,随S形弹簧分布角度、径向厚度和径向位置的增大呈不规则变化现象。理论计算和实验测量了ISFD的径向静刚度,表明ISFD在较宽的载荷范围内具有优良的线性刚度特性。实验研究了ISFD-单盘Jeffcott转子在不同不平衡量下的振动响应,结果表明ISFD在较大的不平衡量范围内可以提供线性特性的阻尼力,且油膜刚度不变,并根据模态分析方法计算了ISFD的阻尼系数。
2、提出了基于ISFD的转子系统振动主动控制方法,通过对ISFD的供油进行主动控制,实现对转子过临界振动的针对性抑制。开发了基于ISFD的振动主动控制系统,设计了基于转速的开关控制策略,实验研究了基于转速的ISFD开关控制方法对单跨、单跨悬臂转子过临界振动的抑制效果。通过开关控制实验,单跨转子水平方向的最大振动降幅为39%,竖直方向的最大振动降幅为42%;单跨悬臂转子水平方向的最大振动降幅为34%,竖直方向的最大振动降幅为38%。相比传统的ISFD被动控制方法,基于转速的ISFD开关控制方法可以对转子的过临界振动进行有针对性的控制。
3、提出了基于ISFD的齿轮系统振动控制方法,从齿轮系统振动传递的路径入手,将ISFD用于减小和隔离齿轮系统的啮合激励,理论分析和实验验证了ISFD用于齿轮轴系减振的可行性。研究了ISFD安装位置、阻尼液黏度对齿轮轴系减振特性的影响规律。结果表明,ISFD支承可以降低不同转速下齿轮轴系的啮合冲击振动,且具有较宽的减振频带;单轴安装ISFD时,为取得较好的减振效果,应优先考虑将ISFD安装于振动较大的轴系;以二甲基硅油作阻尼液的ISFD可以使齿轮轴系振动降幅达到50%以上,且降幅随阻尼液黏度的增加而增大。针对工程中常见的多平行齿轮轴系整机振动和齿轮轴系不对中故障振动,实验研究了ISFD对其复杂振动的抑制效果。结果显示,ISFD可以有效改善多平行齿轮轴系的冲击振动,轴承座振动加速度峰值降幅约30%;ISFD可以有效降低齿轮轴系不对中故障产生的振动,对故障特征频率成分和共振调制频率成分振动具有较好的抑制效果。在此基础上,开发设计了一种应用ISFD技术的渐开线一级直齿齿轮箱,研究了不同负载、不同转速下ISFD的减振性能,结果表明,ISFD对齿轮箱在不同负载、不同转速下表现出了较好的减振性能,可以有效抑制齿轮箱的高频振动成分,显示出ISFD在齿轮箱具有较好的应用前景。
4、开发了整体式弹性环挤压油膜阻尼器(IERSFD)结构,它将传统的弹性环式挤压油膜阻尼器进行一体式加工,结构新颖、紧凑,同时具备弹性支承低刚度和挤压油膜阻尼器减振的性能。将二甲基硅油作为IERSFD的阻尼液,搭建实验台研究了IERSFD在不同转速和阻尼液黏度下对齿轮轴系的减振特性。研究结果表明,IERSFD弹性阻尼支承可以有效改善齿轮啮合的冲击性振动,且对齿轮传动中大部分频率成分的振动有较好的减振效果,减振频带宽;在一定黏度范围内,随着IERSFD阻尼液黏度的增加,齿轮轴系的振动降幅增大。
总之,本文的研究成果拓宽了ISFD的应用领域,为转子及齿轮系统的振动控制提供了全新的方法。ISFD减振性能良好,易于工程推广使用。研究内容有助于旋转机械低振动、高稳定性和长寿命设计,具有重要的工程意义。
本文围绕旋转机械由于不平衡质量导致的过临界振动较大和齿轮传动系统普遍存在的振动问题,研究基于整体式挤压油膜阻尼器(ISFD)的振动控制新技术和新方法,结合理论分析和实验研究,对ISFD在转子及齿轮系统中的减振特性进行了研究。本论文的主要工作如下:
1、在不考虑油膜刚度影响的情况下,研究了ISFD不同结构参数对其径向刚度的影响规律,结果表明ISFD的径向刚度随其轴向长度的增加而线性增大,随油膜间隙的增大而近似线性减小,随S形弹簧分布角度、径向厚度和径向位置的增大呈不规则变化现象。理论计算和实验测量了ISFD的径向静刚度,表明ISFD在较宽的载荷范围内具有优良的线性刚度特性。实验研究了ISFD-单盘Jeffcott转子在不同不平衡量下的振动响应,结果表明ISFD在较大的不平衡量范围内可以提供线性特性的阻尼力,且油膜刚度不变,并根据模态分析方法计算了ISFD的阻尼系数。
2、提出了基于ISFD的转子系统振动主动控制方法,通过对ISFD的供油进行主动控制,实现对转子过临界振动的针对性抑制。开发了基于ISFD的振动主动控制系统,设计了基于转速的开关控制策略,实验研究了基于转速的ISFD开关控制方法对单跨、单跨悬臂转子过临界振动的抑制效果。通过开关控制实验,单跨转子水平方向的最大振动降幅为39%,竖直方向的最大振动降幅为42%;单跨悬臂转子水平方向的最大振动降幅为34%,竖直方向的最大振动降幅为38%。相比传统的ISFD被动控制方法,基于转速的ISFD开关控制方法可以对转子的过临界振动进行有针对性的控制。
3、提出了基于ISFD的齿轮系统振动控制方法,从齿轮系统振动传递的路径入手,将ISFD用于减小和隔离齿轮系统的啮合激励,理论分析和实验验证了ISFD用于齿轮轴系减振的可行性。研究了ISFD安装位置、阻尼液黏度对齿轮轴系减振特性的影响规律。结果表明,ISFD支承可以降低不同转速下齿轮轴系的啮合冲击振动,且具有较宽的减振频带;单轴安装ISFD时,为取得较好的减振效果,应优先考虑将ISFD安装于振动较大的轴系;以二甲基硅油作阻尼液的ISFD可以使齿轮轴系振动降幅达到50%以上,且降幅随阻尼液黏度的增加而增大。针对工程中常见的多平行齿轮轴系整机振动和齿轮轴系不对中故障振动,实验研究了ISFD对其复杂振动的抑制效果。结果显示,ISFD可以有效改善多平行齿轮轴系的冲击振动,轴承座振动加速度峰值降幅约30%;ISFD可以有效降低齿轮轴系不对中故障产生的振动,对故障特征频率成分和共振调制频率成分振动具有较好的抑制效果。在此基础上,开发设计了一种应用ISFD技术的渐开线一级直齿齿轮箱,研究了不同负载、不同转速下ISFD的减振性能,结果表明,ISFD对齿轮箱在不同负载、不同转速下表现出了较好的减振性能,可以有效抑制齿轮箱的高频振动成分,显示出ISFD在齿轮箱具有较好的应用前景。
4、开发了整体式弹性环挤压油膜阻尼器(IERSFD)结构,它将传统的弹性环式挤压油膜阻尼器进行一体式加工,结构新颖、紧凑,同时具备弹性支承低刚度和挤压油膜阻尼器减振的性能。将二甲基硅油作为IERSFD的阻尼液,搭建实验台研究了IERSFD在不同转速和阻尼液黏度下对齿轮轴系的减振特性。研究结果表明,IERSFD弹性阻尼支承可以有效改善齿轮啮合的冲击性振动,且对齿轮传动中大部分频率成分的振动有较好的减振效果,减振频带宽;在一定黏度范围内,随着IERSFD阻尼液黏度的增加,齿轮轴系的振动降幅增大。
总之,本文的研究成果拓宽了ISFD的应用领域,为转子及齿轮系统的振动控制提供了全新的方法。ISFD减振性能良好,易于工程推广使用。研究内容有助于旋转机械低振动、高稳定性和长寿命设计,具有重要的工程意义。