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        轉(zhuǎn)子-軸承系統(tǒng)局部碰摩故障機(jī)理研究

        2010-07-27 10:31:20劉占生姜興謂
        軸承 2010年8期
        關(guān)鍵詞:靜子圓盤偏心

        張 楠,劉占生,姜興謂

        (1.哈爾濱工業(yè)大學(xué),哈爾濱 150001;2.北京航天動(dòng)力研究所,北京 100076)

        在旋轉(zhuǎn)機(jī)械中,碰摩是一種常見故障現(xiàn)象,由于受轉(zhuǎn)子和定子間隙的限制,以及不可避免存在的轉(zhuǎn)子質(zhì)心偏移,兩者之間經(jīng)常發(fā)生碰撞,導(dǎo)致機(jī)械結(jié)構(gòu)的磨損,甚至引起嚴(yán)重?fù)p害。由于碰摩改變了轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的力平衡和動(dòng)剛度,使旋轉(zhuǎn)機(jī)械的正常工作條件受到破壞。動(dòng)靜件的碰摩通常由其他故障所引起,比如轉(zhuǎn)子不平衡、轉(zhuǎn)子及靜止部件的彎曲、不對中、熱膨脹造成的間隙不足等。碰摩使轉(zhuǎn)子及靜子受到切向摩擦力和沖擊力作用。在一定條件下,這種突加激勵(lì)可使轉(zhuǎn)子產(chǎn)生反進(jìn)動(dòng),嚴(yán)重時(shí)會(huì)使振動(dòng)不斷加劇,導(dǎo)致失穩(wěn),使旋轉(zhuǎn)機(jī)械無法正常運(yùn)轉(zhuǎn)。轉(zhuǎn)子系統(tǒng)碰摩問題的研究一直是轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)研究的重要課題,許多學(xué)者對轉(zhuǎn)、靜子碰摩問題進(jìn)行了廣泛的研究[1-7]。下文以某高速泵轉(zhuǎn)子系統(tǒng)為例進(jìn)行局部碰摩故障仿真研究,分析了偏心距、轉(zhuǎn)速、半徑間隙、摩擦因數(shù)及靜子徑向剛度等因素對系統(tǒng)振動(dòng)特性的影響,進(jìn)一步揭示了碰摩轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)與特點(diǎn),為工程實(shí)際中復(fù)雜轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)、故障診斷及振動(dòng)控制等提供了理論依據(jù)。

        1 高速碰摩轉(zhuǎn)子系統(tǒng)非線性動(dòng)力學(xué)模型

        1.1 轉(zhuǎn)子軸承系統(tǒng)的建模

        圖1為某高速泵軸承支承下的碰摩轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)模型。不考慮摩擦產(chǎn)生的熱效應(yīng),轉(zhuǎn)子與靜子的徑向局部碰摩力模型如圖2所示。其中,Pr為徑向碰摩力,Pt為切向摩擦力,φ為接觸點(diǎn)的向徑與x軸的夾角,Ω為轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)角速度,e為轉(zhuǎn)子偏心距。轉(zhuǎn)子與靜子間的徑向碰摩力采用線性當(dāng)量彈簧模型,切向摩擦力采用庫侖摩擦力模型,則當(dāng)r>δ時(shí),碰摩力、摩擦力分別為:

        圖1 轉(zhuǎn)子軸承系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型

        圖2 轉(zhuǎn)子與靜子的徑向碰摩力模型

        碰摩力為:

        式中:τ為Sommerfeld修正數(shù),τ=ηΩRL(R/c)2(L/2R)2;η為潤滑油黏度;R為軸頸半徑;c為軸頸與軸承的半徑間隙;L為軸承有效長度;α為油膜的起始動(dòng)態(tài)邊界角,由轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)中軸頸中心的位置來確定。

        圖1的5個(gè)集中質(zhì)量轉(zhuǎn)子系統(tǒng)中,第1,5圓盤為等效懸臂圓盤;第3圓盤為轉(zhuǎn)子支承中部等效圓盤(包括齒輪);第2,4圓盤為滑動(dòng)軸承支承處的等效圓盤。圓盤2,4處為不同長度和直徑的滑動(dòng)軸承,這兩處圓盤受到非線性油膜力的作用,在圓盤2處施加碰摩力。根據(jù)Newton第二定律可建立5個(gè)質(zhì)量轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的考慮自身重力、不平衡激勵(lì)、非線性碰摩力和油膜力的運(yùn)動(dòng)方程為:

        cos (Ωt+φ1),

        sin (Ωt+φ1)-m1g;

        Fx2+Px,

        過度嬌寵。美國家庭心理學(xué)家約翰·羅斯蒙德認(rèn)為,家長的關(guān)愛是幼兒成長的維生素,缺它不可,過多無益。像有些孩子手里拿著雞蛋,但不知道怎樣吃;鞋帶松了,卻不知道怎樣系等。這些都是家長平時(shí)過于嬌寵的結(jié)果,阻礙了幼兒自主意識確立和自主能力提高。

        Fy2+Py-m2g;

        Fx4,

        Fy4-m4g;

        sin (Ωt+φ5)-m5g。

        式中:kbi,cbi為滑動(dòng)軸承油膜剛度和阻尼系數(shù),i=2,4;ki,ci為軸段彎曲剛度和轉(zhuǎn)子內(nèi)阻尼系數(shù),i=1,2,3,4;P為碰摩力;F為油膜力;Φi為圓盤質(zhì)量偏心初相位,(i=1,2,3,4,5)。

        1.2 滑動(dòng)軸承油膜剛度和阻尼系數(shù)的確定

        為了簡化處理,將滑動(dòng)軸承視為各向同性,不考慮交叉項(xiàng)。對油膜剛度和阻尼系數(shù)的處理,取工作轉(zhuǎn)速下左、右軸承x方向的剛度、阻尼值作為結(jié)點(diǎn)2,4處x,y方向的油膜剛度和阻尼值,即取

        kb2=1.623 6×108N/m,cb2=1.914 9×105Ns/m,

        kb4=2.523 3×108N/m,cb4=1.673 6×105Ns/m。

        1.3 系統(tǒng)仿真參數(shù)的確定

        將圖1中5處的集中質(zhì)量視為不計(jì)厚度的剛性薄圓盤。本例選取的轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的初始參數(shù)如表1~表3所示。其他參數(shù)如潤滑油黏度η為0.015 Pa·s;摩擦因數(shù)μ為0.10;轉(zhuǎn)、靜子半徑間隙δ為35 μm;靜子徑向剛度kr為6.551 6×1010N/m;等效軸密度ρ為0.1 kg/m3。

        表1 仿真初始輸入?yún)?shù)

        表2 仿真軸段輸入?yún)?shù)

        表3 仿真軸承輸入?yún)?shù)

        2 系統(tǒng)非線性動(dòng)力學(xué)分析

        正常運(yùn)行的轉(zhuǎn)子系統(tǒng)滑動(dòng)軸承處很少發(fā)生碰摩,但由于轉(zhuǎn)子不平衡、不對中,軸彎曲,軸頸半徑間隙不均勻,動(dòng)、靜件熱膨脹不一致及殼體變形等原因,可能導(dǎo)致軸頸處振幅顯著增大或軸頸與軸承的徑向間隙減小,從而引發(fā)軸頸與軸瓦的徑向碰撞摩擦。影響轉(zhuǎn)子系統(tǒng)穩(wěn)定性和動(dòng)力學(xué)特性的因素較多,主要有轉(zhuǎn)速、偏心量、半徑間隙、摩擦因數(shù)及靜子徑向剛度等。

        數(shù)值仿真無量綱時(shí)間步長取π/200,Newmark方法的收斂偏差標(biāo)準(zhǔn)取10-6。仿真200個(gè)周期,舍棄非穩(wěn)態(tài)數(shù)據(jù),取后50個(gè)周期穩(wěn)態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

        因仿真在圓盤2(左滑動(dòng)軸承)處發(fā)生碰摩,此處的振動(dòng)特征最為顯著,故主要研究圓盤2水平及垂直方向的振動(dòng)特征。

        2.1 偏心距的影響

        將碰摩發(fā)生的條件設(shè)定為質(zhì)量偏心距的增大進(jìn)行仿真,研究碰摩故障發(fā)生的振動(dòng)規(guī)律。

        取圓盤2不同的偏心距值,保持其他參數(shù)不變,作系統(tǒng)隨轉(zhuǎn)速變化的振動(dòng)特征圖。偏心距e=2 mm時(shí)x2和y2的幅頻曲線、分岔圖和三維譜圖如圖3~圖5所示。從圖3可知,e=2 mm時(shí),x2和y2的振幅接近滑動(dòng)軸承半徑間隙值為35 μm,尚未發(fā)生碰摩;振幅隨轉(zhuǎn)速的增大而增大,在19 600 r/min處有峰值,之后振幅下降,到22 400 r/min處又開始回升,后者對應(yīng)于轉(zhuǎn)子的彎曲振動(dòng)一階臨界轉(zhuǎn)速。從圖4中得出系統(tǒng)未發(fā)生分岔,始終作周期運(yùn)動(dòng)。圖5中三維譜圖中只有基頻分量,由于轉(zhuǎn)子為軸對稱結(jié)構(gòu),支承各向同性,圓盤重力的影響較弱,故水平和垂直方向的振動(dòng)特性沒有明顯差別。

        圖3 x2和y2的幅頻曲線

        圖4 x2分岔圖

        圖5 x2三維譜圖

        偏心距e=5 mm時(shí)x2和y2的幅頻曲線、分岔圖和三維譜圖如圖6~圖8所示。從圖中可知,e=5 mm時(shí),x2和y2振幅在10 000 r/min時(shí)達(dá)到滑動(dòng)軸承的半徑間隙值35 μm而發(fā)生碰摩,振幅保持穩(wěn)定,在22 400 r/min處稍有變化;系統(tǒng)在10 000~11 000 r/min時(shí)發(fā)生分岔,即碰摩剛發(fā)生時(shí)系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)不穩(wěn)定,之后重新進(jìn)入周期運(yùn)動(dòng);三維譜圖中譜峰在碰摩后保持穩(wěn)定。

        圖6 x2和y2的幅頻曲線

        圖7 x2分岔圖

        圖8 x2三維譜圖

        偏心距e=10 mm時(shí)x2和y2的幅頻曲線、分岔圖和三維譜圖如圖9~圖11所示。從圖9可知,e=10 mm時(shí),x2和y2的振幅在6 400 r/min時(shí)達(dá)到滑動(dòng)軸承的半徑間隙值而發(fā)生碰摩,振幅穩(wěn)定中略有上升;系統(tǒng)在6 400~11 000 r/min時(shí)發(fā)生分岔,運(yùn)動(dòng)不穩(wěn)定,之后重新進(jìn)入周期運(yùn)動(dòng)。

        圖9 x2和y2的幅頻曲線

        圖11 x2三維譜圖

        2.2 半徑間隙的影響

        偏心距e=5 mm,轉(zhuǎn)、靜子半徑間隙δ=20 μm時(shí)x2和y2的幅頻曲線、分岔圖和三維譜圖如圖12~圖14所示。從圖12可知,δ=20 μm時(shí),x2和y2的振幅在7 000 r/min時(shí)達(dá)到半徑間隙值而發(fā)生碰摩;系統(tǒng)在7 000~11 000 r/min時(shí)發(fā)生分岔,運(yùn)動(dòng)不穩(wěn)定,之后重新進(jìn)入周期運(yùn)動(dòng)。對比圖6~圖8可知,轉(zhuǎn)、靜子半徑間隙的減小導(dǎo)致碰摩的發(fā)生和加劇,使得碰摩振幅減小、失穩(wěn)轉(zhuǎn)速下降、失穩(wěn)轉(zhuǎn)速范圍拓寬。因此,轉(zhuǎn)、靜子半徑間隙對碰摩系統(tǒng)振動(dòng)特性的影響較為顯著。

        圖12 x2和y2的幅頻曲線

        圖13 x2分岔圖

        圖14 x2三維譜圖

        2.3 摩擦因數(shù)的影響

        偏心距e=5 mm,摩擦因數(shù)μ=0.2時(shí)x2和y2的幅頻曲線、分岔圖和三維譜圖如圖15~圖17所示。從圖15和16可知,μ=0.2時(shí),x2和y2的振幅在10 000 r/min時(shí)達(dá)到滑動(dòng)軸承的半徑間隙值35 μm而發(fā)生碰摩,振幅保持穩(wěn)定;系統(tǒng)在10 000~11 000 r/min時(shí)發(fā)生分岔,之后重新進(jìn)入周期運(yùn)動(dòng)。對比圖6~圖8可知,摩擦因數(shù)的增大沒有加劇碰摩,對系統(tǒng)振動(dòng)特性的影響不大。

        圖15 x2和y2的幅頻曲線

        圖16 x2分岔圖

        圖17 x2三維譜圖

        2.4 靜子徑向剛度的影響

        偏心距e=5 mm,靜子徑向剛度kr=1×108kN/m時(shí)x2和y2的幅頻曲線、分岔圖和三維譜圖如圖18~圖20所示。從圖中可知,kr=1×108kN/m時(shí),x2和y2的振幅在10 000 r/min時(shí)達(dá)到動(dòng)靜間隙值而發(fā)生碰摩;系統(tǒng)在10 000~14 400 r/min時(shí)發(fā)生分岔,運(yùn)動(dòng)不穩(wěn)定,之后重新進(jìn)入周期運(yùn)動(dòng)。對比圖6~圖8,靜子徑向剛度的增大導(dǎo)致碰摩加劇,使得失穩(wěn)轉(zhuǎn)速范圍拓寬。因此,在碰摩已經(jīng)發(fā)生的情況下,靜子徑向剛度對碰摩系統(tǒng)振動(dòng)特性的影響較為顯著。

        圖18 x2和y2的幅頻曲線

        圖19 x2分岔圖

        圖20 x2三維譜圖

        3 結(jié)束語

        建立了滑動(dòng)軸承支承下的局部碰摩故障轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)模型,在模型中考慮了碰摩故障的非線性,研究了不同參數(shù)對系統(tǒng)振動(dòng)特性的影響。得出滑動(dòng)軸承支承下的局部碰摩轉(zhuǎn)子的振動(dòng)特征頻率以基頻為主,正進(jìn)動(dòng)隨著碰摩的加劇而出現(xiàn)倍頻諧波分量,系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)不穩(wěn)定性增強(qiáng)。研究了偏心距、轉(zhuǎn)速、半徑間隙、摩擦因數(shù)和靜子徑向剛度等因素對碰摩系統(tǒng)振動(dòng)特性的影響。

        因此,在工程實(shí)際應(yīng)用中要采取對不平衡量過大的轉(zhuǎn)子進(jìn)行嚴(yán)格的動(dòng)平衡,確保動(dòng)平衡精度;按設(shè)計(jì)要求調(diào)整好轉(zhuǎn)子與靜子的相對位置和間隙;調(diào)整轉(zhuǎn)子對中度,改善殼體及基礎(chǔ)的變形;選用剛性較好的軸,更換撓曲變形過大的轉(zhuǎn)子;提高滑動(dòng)軸承供油壓力,以形成足以保證轉(zhuǎn)子穩(wěn)定運(yùn)行的油膜,防止因油膜破裂而發(fā)生干摩擦等措施,以減少轉(zhuǎn)子軸承系統(tǒng)發(fā)生碰摩故障。

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