主动磁悬浮轴承系统中自消除间隙保护轴承的研究

目录

第一章绪论 (1)

1.1保护轴承研究的必要性 (1)

1.1.1磁悬浮轴承系统的简介 (1)

1.1.2 保护轴承重要性 (3)

1.2国内外研究现状 (5)

1.2.1单层滚动轴承用作于保护轴承的研究现状 (5)

1.2.2双层滚动轴承用作保护轴承的研究现状 (8)

1.2.3零间隙保护轴承的研究现状 (9)

1.3课题研究的主要内容及论文安排 (12)

1.3.1研究主要内容 (12)

1.3.2论文内容安排 (13)

第二章自消除间隙保护轴承的结构、工作原理及可行性分析 (14)

2.1自消除间隙保护轴承的结构 (14)

2.2自消除间隙保护轴承的工作原理 (15)

2.3滚动轴承对转子动态性能的影响 (16)

2.3.1 转子模态仿真分析 (16)

2.3.2 转子模态试验验证 (17)

2.3.3安装滚动轴承的转子模态分析 (19)

2.4摆动机构的运动学分析 (21)

2.4.1摆动机构自由度分析 (21)

2.4.2摆动机构中支座最大摆动角度分析 (22)

2.4.3摆动机构运动学试验验证 (26)

2.5自消除间隙保护轴承的静力学分析 (30)

2.6不同端面形状的支座消除间隙时摆动角度及法向力臂的特点 (32)

2.6.1 单段型支座 (33)

2.6.1.1圆弧型支座 (33)

2.6.1.2螺旋型支座 (36)

2.6.2分段型支座 (39)

2.6.2.1直线+圆弧型支座 (39)

v

2.6.2.2直线+螺旋型支座 (40)

2.6.2.3 分段型支座消除间隙时摆动角度及法向力臂的特点 (41)

2.7本章小结 (42)

第三章转子组件跌落到自消除间隙保护轴承上的动力学研究 (44)

3.1转子跌落试验台的基本结构 (44)

3.2动力学模型的建立 (46)

3.2.1 刚性转子的动力学模型 (46)

3.2.2 磁悬浮轴承支承模型 (48)

3.2.3 自消除间隙保护轴承中滚动轴承动力学模型 (51)

3.2.4 转子与二级保护轴承的动力学模型 (53)

3.2.5 自消除间隙保护轴承中滚动轴承外圈与支座的碰撞模型 (55)

3.2.6 支座与销钉的碰撞模型 (58)

3.2.7 支座的摆动模型 (59)

3.3.转子组件跌落到自消除间隙保护轴承动力学响应分析流程 (60)

3.4本章小结 (61)

第四章转子组件跌落到自消除间隙保护轴承上的动力学仿真与试验研究 (63)

4.1转子组件跌落后的动力学响应 (63)

4.1.1转子组件跌落仿真研究 (63)

4.1.2转子组件跌落试验研究 (70)

4.2支座端面形状的影响 (78)

4.2.1 不同端面形状支座组成的自消除间隙保护轴承失效原因分析 (80)

4.2.2 转子跌落至直线型支座组成的自消除间隙保护轴承的试验研究 (81)

4.3转子不同跌落相位与转子转速的影响 (83)

4.4转子不平衡量的影响 (84)

4.5支座与滚动轴承外圈之间摩擦系数的影响 (88)

4.6转动副摩擦系数的影响 (90)

4.7支座数量的影响 (92)

4.8自消除间隙保护轴承安装角度的影响 (94)

4.9转子跌落到传统保护轴承上的对比研究 (97)

4.10本章小结 (99)

第五章总结与展望 (102)

5.1主要创新及研究工作 (102)

v i

5.2对下一步工作的展望 (103)

参考文献 (105)

致谢 (115)

在学期间的研究成果及发表的学术论文 (118)

vii

图表清单

图1.1 主动磁悬浮轴承系统结构简图 (3)

图1.2 主动磁悬浮轴承系统间隙设置示意图 (4)

图1.3 保护轴承内圈与转子烧焊在一起图片 (4)

图1.4 转子表面严重磨损图片 (5)

图1.5 零间隙保护轴承结构示意图 (10)

图1.7 电磁辅助轴承结构示意图 (11)

图2.1 传统保护轴承简图 (15)

图2.2 自消除间隙保护轴承结构简图 (15)

图2.3 支座摆动消除间隙示意图 (16)

图2.4 转子有限元模型划分情况及自由状态下的模态频率 (17)

图2.5 转子固有频率测量装置实物图 (18)

图2.6 两端未安装滚动轴承转子的频响曲线及模态振型图 (18)

图2.7 一端安装滚动轴承的转子的模态及频率 (19)

图2.8 两端安装滚动轴承的转子的模态及频率 (19)

图2.9 一端安装滚动轴承转子的频响曲线及模态振型图 (20)

图2.10 两端安装滚动轴承转子的频响曲线及模态振型图 (20)

图2.11 两种自消除间隙保护轴承的结构布局图 (22)

图2.12 两种自消除间隙保护轴承的机构简图 (22)

图2.13 支座运动简图 (23)

图2.14 两种结构布局中支座最大摆动角度与各参数的关系 (25)

图2.15 两种形状的销孔示意图 (26)

图2.16 支座不同销孔位置示意图 (27)

图2.17 支座摆动试验实物图 (28)

图2.18 结构―A‖中支座摆动角度结果对比 (29)

图2.19 结构―B‖中支座摆动角度结果对比 (29)

图2.20 间隙完全消除后支座与轴承外圈受力情况图 (30)

图2.21 圆弧型支座几何模型图 (33)

图2.22 支座端面形状与支座长度对间隙消除时支座的摆动角度的影响 (34)

图2.23 支座端面形状对法向力臂的影响 (35)

v iii

图2.24 螺旋型支座几何模型图 (36)

图2.25 不同长度的支座消除间隙时摆动角度与支座端面螺旋线导程的关系 (37)

图2.26 不同长度的支座消除间隙时碰撞点处法向力臂与支座端面螺旋线导程的关系 (38)

图2.27 分段型支座几何模型图 (39)

图2.28 两种分段型支座与外圈之间的实时间隙与支座摆动角度之间的关系 (41)

图2.29 两种分段型支座碰撞点处的法向力臂与摆动角度之间的关系 (42)

图2.30 两种分段型支座碰撞点处的切向力臂与摆动角度之间的关系 (42)

图3.1 五自由度磁悬浮轴承试验台结构原理简图 (45)

图3.2 自消除间隙保护轴承与二级保护轴承的结构简图 (45)

图3.3 转子的受力和几何模型图 (46)

图3.4 单自由度磁悬浮轴承系统控制框图 (49)

图3.5 自消除间隙保护轴承中滚动轴承受载变形模型图 (52)

图3.6 转子与二级保护轴承碰撞模型图 (54)

图3.7 滚动轴承外圈与支座的碰撞模型图 (56)

图3.8 单个支座的受力模型图 (59)

图3.9 支座摆动模型图 (60)

图3.10 转子组件跌落仿真计算流程图 (62)

图4.1 转子在30 000 r/min跌落时滚动轴承外圈与转子的运动轨迹（仿真结果） (66)

图4.2 转子在30 000 r/min跌落时滚动轴承外圈和转子在x-, y-方向的振动位移（仿真结果）66 图4.3 转子在30 000 r/min跌落时滚动轴承受到的碰撞力（仿真结果） (67)

图4.4 转子在30 000 r/min跌落时转子和滚动轴承外圈的转动频率（仿真结果） (67)

图4.5 转子在30 000 r/min跌落时支座摆动角度情况（仿真结果） (67)

图4.6 转子在30 000 r/min跌落时各支座与滚动轴承外圈之间的实时间隙（仿真结果） (68)

图4.7 转子在30 000 r/min跌落时各支座与滚动轴承外圈之间的碰撞力（仿真结果） (68)

图4.8 转子在30 000 r/min跌落时各支座与滚动轴承外圈之间的摩擦力（仿真结果） (69)

图4.9 转子在30 000 r/min跌落时各转动副1的摩擦力（仿真结果） (69)

图4.10 转子跌落试验原理图 (70)

图4.11 转子跌落试验装置图 (71)

图4.12 支座应力标定装置原理图与实物图 (72)

图4.13 标定得到的支座应力与加载力的关系 (72)

图4.14 转子在30 000 r/min跌落时的运动轨迹（试验结果） (73)

图4.15 转子在30 000 r/min跌落时沿着x-，y-方向的振动位移（试验结果） (74)

ix

图4.16 转子在30 000 r/min跌落时的转动频率（试验结果） (74)

图4.17 转子在30 000 r/min跌落时滚动轴承外圈的转动频率（试验结果） (74)

图4.18 转子在30 000 r/min跌落时支座受到的应力大小（试验结果） (75)

图4.19 转子在30 000 r/min跌落时滚动轴承的碰撞力（试验结果） (76)

图4.20 高速摄像机设备实物图 (77)

图4.21 高速摄像机设备采集得到转子在30 000 r/min跌落时的运动状态图 (78)

图4.22 自消除间隙保护轴承正常工作所需的初始转速与支座类型的关系 (80)

图4.23 转子跌落到直线型支座后转子和滚动轴承外圈的运动轨迹（仿真结果） (80)

图4.24 转子跌落后直线型支座的摆动角度（仿真结果） (81)

图4.25 高速摄像机设备采集得到转子跌落至直线型支座时的运动状态图 (83)

图4.26 不同跌落相位对转子跌落后滚动轴承最大碰撞力的影响（仿真结果） (83)

图4.27 不同转速下转子跌落后滚动轴承的最大碰撞力 (84)

图4.28 转子不平衡量对转子跌落后滚动轴承最大碰撞力的影响（仿真结果） (85)

图4.29 转子不平衡量对转子跌落后外圈与支座之间最大碰撞力的影响（仿真结果） (85)

图4.30 转子不平衡量对转子跌落后滚珠最大接触应力的影响（仿真结果） (86)

图4.31 转子不平衡量对转子跌落后外圈与支座之间最大接触应力的影响（仿真结果） (87)

图4.32 转子不平衡量对转子跌落后滚动轴承最大碰撞力的影响（试验结果） (88)

图4.33 转子不平衡量对转子跌落后外圈与支座之间最大碰撞力的影响（试验结果） (88)

图4.34 支座与外圈之间摩擦系数对转子跌落后滚动轴承最大碰撞力影响 (89)

图4.35 支座与外圈之间摩擦系数对转子跌落后它们之间最大碰撞力的影响 (90)

图4.37 转动副摩擦系数对转子跌落后滚动轴承最大碰撞力的影响 (91)

图4.38 转动副摩擦系数对转子跌落后外圈与支座之间最大碰撞力的影响 (92)

图4.39 不同支座数量的自消除间隙保护轴承实物图 (92)

图4.40 支座数量对转子跌落后滚动轴承最大碰撞力的影响（仿真结果） (93)

图4.41 支座数量对转子跌落后外圈与支座之间最大碰撞力的影响（仿真结果） (93)

图4.42 支座数量对转子跌落后滚动轴承最大碰撞力的影响（试验结果） (94)

图4.43 支座数量对转子跌落后外圈与支座之间最大碰撞力的影响（试验结果） (94)

图4.44 自消除间隙保护轴承安装角度示意图 (95)

图4.45 保护轴承安装角度对转子跌落后滚动轴承最大碰撞力的影响（仿真结果） (95)

图4.46 保护轴承安装角度对转子跌落后外圈与支座之间最大碰撞力的影响（仿真结果） (96)

图4.47 保护轴承安装角度对转子跌落后滚动轴承最大碰撞力的影响（试验结果） (96)

图4.48 保护轴承安装角度对转子跌落后外圈与支座之间最大碰撞力的影响（试验结果） (97)

x

图4.49 转子跌落至自消除间隙保护轴承与传统保护轴承后滚动轴承最大碰撞力对比 (98)

图4.50 转子在30 000 r/min跌落至传统保护轴承时的轴心轨迹 (98)

图4.51 转子跌落至自消除间隙保护轴承与传统保护轴承后滚动轴承最大碰撞力的减小比率 . 99

表2.1 各情况下理论与试验结果的相对误差 (21)

表2.2 支座摆动试验参数及结果 (28)

表2.2（续） (29)

表3.1 磁悬浮轴承系统主要参数 (50)

表4.1 转子的主要参数 (63)

表4.2 自消除间隙保护轴承中滚动轴承和二级保护轴承主要参数 (64)

表4.3 自消除间隙保护轴承中摆动机构主要参数 (64)

表4.3（续） (65)

表4.4 其他仿真参数 (65)

表4.5 支座端面形状参数 (79)

表4.7 仿真用支座与滚动轴承外圈之间的摩擦系数 (89)

xi

x ii

注释表

A

支座端面的中点 F ax2、F ay2 右端径向磁悬浮轴承的支承力 A 0

单个径向磁悬浮轴承定子的磁极面 F bhx1、 左端二级保护轴承对转子的碰撞力 积 F bhy1 A

磁悬浮轴承系数矩阵 F bhx2、 右端二级保护轴承对转子的碰撞力 B d

自消除间隙保护轴承系数矩阵 F bhy2 B h

二级保护轴承系数矩阵 F be1k 、 左、右端轴承第k 个滚珠受到的离 c a

磁悬浮轴承的径向支承阻尼 F be2k 心力 c d

滚动轴承的阻尼系数 F ex 、F ey 转子离心力在x ，y 轴方向的分量 c k

转动副2中的间隙 F idx1、 c r

保护轴承的单边保护间隙 F idy1 左端自消除间隙保护轴承的支承力 c s

转动副1的间隙 F idx2、 右端自消除间隙保护轴承的支承力 C d 自消除间隙保护轴承中滚动轴承的 F idy2 阻尼矩阵 F ih1、 所有滚珠对左、右端二级保护轴承

D 支座端面与滚动轴承外圈的碰撞 F ih2 内圈弹性力合力

点 F nd 所有支座与外圈之间接触变形产生

D 1i 、D 2i 左、右端自消除间隙保护轴承中第 的法向力之和

“i ”个支座端面到其中心的最近点 F nd1、 左、右端轴承外圈与支座之间碰撞

d s 机构中心点到支座最近点的实时 F nd2 产生的法向力合力

距离 F nd i 单个支座与外圈之间接触变形产生

d s1i 、d s2i 左、右端自消除间隙保护轴承中支 的法向力

座端面到其中心的实时距离 F nh1、 转子对左、右端二级保护轴承内圈

D a 位移传感器与磁悬浮轴承之间的 F nh2 碰撞产生的法向碰撞力

位移变换矩阵 F ns1i 、 左、右端自消除间隙保护轴承中定 D r 转子质心处与转子径向位移传感 F ns2 i 位销1对支座的碰撞力

器处的位移变换矩阵 F s 所有转动副1的摩擦力之和

e 转子的偏心距 F s i 单个转动副1的摩擦力

F a 径向磁轴承产生的力 F smax 所有转动副1的最大静摩擦力

F ax1、F ay1 左端径向磁悬浮轴承的支承力 F td 所有支座与外圈之间摩擦力之和