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基于MATLAB的高速浮环动静压轴承特性研究

作 者: 陈昌婷
导 师: 郭红
学 校: 郑州大学
专 业: 机械设计及理论
关键词: 浮环轴承 浮环 稳定性 ANSYS MATLAB
分类号: TH133.36
类 型: 硕士论文
年 份: 2011年
下 载: 140次
引 用: 1次
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内容摘要


浮环动静压轴承具有承载力高、摩擦功耗低、精度高、稳定性好等优异性能,在高速轴承—转子系统如航天航空、空分、超精密磨床等领域得到越来越广泛的应用。高速浮环轴承的油膜振荡一直是制约转子向高速发展的瓶颈,目前对浮环轴承稳定性仍有待进一步研究。另一方面,轴承内外层油膜厚度均较小,浮环受力变形可能会对油膜厚度造成影响。因此,深入研究浮环动静压轴承静动特性、稳定性及浮环对轴承性能的影响,对于提高高速浮环轴承—转子系统性能至关重要。本文以柱销内反馈径向浮环动静压轴承为研究对象,采用有限元方法建立内外膜静动特性仿真模型,在此基础上推导浮环轴承的稳定性判别方法。为了分析浮环变形对油膜厚度的影响,基于ANSYS求解了不同转速不同偏心下浮环变形情况并与油膜厚度进行了对比。研究的主要内容包括:1.基于MATLAB的浮环动静压轴承静动特性仿真使用MATLAB编制有限元法计算浮环动静压轴承内、外膜压力分布程序,然后计算不同转速、不同偏心率下浮环平衡时的静动特性。2.浮环动静压轴承稳定性分析在刚度、阻尼等动特性数据的基础上,建立判断浮环—轴承系统动力学方程组,通过判断特征方程根的特点,迭代出浮环—轴承系统的临界转速,据以保证所设计的轴承在额定转速下不发生自激振动。3.基于ANSYS的浮环受力分析使用ANSYS建立了浮环的实体模型、划分网格、加载承载力和约束条件,求解得到浮环的应力和应变结果。通过对不同转速、不同偏心率及不同厚度下的浮环仿真结果分析得出,在转速不太高、偏心率低于0.6时浮环的变形量相对于油膜厚度可以忽略不计,将浮环看作刚体进行研究可以满足要求;在转速较高、偏心率较大时,必须考虑浮环的变形量对油膜厚度的影响。研究结果表明,浮环动静压轴承具有承载力高、摩擦功耗低、摩擦力矩小等优点,能有效提高轴承—转子系统的临界转速,适应了高速旋转机械的要求。

全文目录


摘要  4-5
ABSTRACT  5-7
目录  7-9
符号说明  9-10
1 绪论  10-20
  1.1 研究意义与背景  10-11
  1.2 浮环动静压轴承研究现状  11-15
  1.3 浮环动静压轴承稳定性研究现状  15-16
  1.4 浮环动静压轴承中浮环的研究现状  16-18
  1.5 本课题的主要内容及意义  18-20
2 高速浮环动静压轴承静动特性数学模型的建立  20-31
  2.1 浮环动静压轴承数学模型  20-25
    2.1.1 浮环动静压轴承结构  20-21
    2.1.2 基本假设  21-22
    2.1.3 雷诺方程  22-23
    2.1.4 边界条件  23-25
    2.1.5 雷诺方程的无量纲化  25
  2.2 浮环动静压轴承静特性计算  25-27
  2.3 浮环动静压轴承稳定工作条件  27
  2.4 浮环动静压轴承动特性计算  27-30
    2.4.1 小扰动下的雷诺方程  28-29
    2.4.2 动特性系数求解  29-30
  2.5 本章小结  30-31
3 浮环动静压轴承稳定性分析  31-36
  3.1 轴承稳定性分析的原理  31-32
  3.2 浮环—轴承系统动力学模型  32-33
  3.3 浮环—轴承系统临界转速计算  33-34
  3.4 R-H准则判断浮环—轴承系统稳定性  34-35
  3.5 本章小结  35-36
4 基于MATLAB高速浮环动静压轴承特性仿真及分析  36-51
  4.1 高速浮环轴承控制方程的有限元格式和算法实现  36-38
    4.1.1 伽辽金加权余量法原理  36-37
    4.1.2 浮环动静压轴承方程离散  37-38
  4.2 高速浮环动静压轴承结构及工况条件  38
  4.3 基于MATLAB的浮环轴承静、动特性分析  38-49
    4.3.1 前处理  39-40
    4.3.2 有限元方程的求解  40-41
    4.3.3 MATLAB程序编制及框图  41-43
    4.3.4 内外膜压力分布计算结果  43-44
    4.3.5 静特性计算结果  44-46
    4.3.6 刚度及阻尼计算结果  46-49
  4.4 高速浮环轴承稳定性计算结果  49
  4.5 本章小结  49-51
5 基于ANSYS浮环动静压轴承中浮环有限元分析  51-63
  5.1 有限元分析原理  51-52
  5.2 ANSYS软件简介  52-53
  5.3 浮环的ANSYS分析  53-56
    5.3.1 ANSYS的基本分析步骤  53-54
    5.3.2 前处理  54-56
    5.3.3 求解  56
    5.3.4 后处理  56
  5.4 基于ANSYS的浮环特性分析  56-62
    5.4.1 不同转速、偏心率下浮环变形分析  56-61
    5.4.2 不同厚度浮环变形分析  61-62
  5.5 本章小结  62-63
6 结论与展望  63-65
  6.1 结论  63-64
  6.2 创新点  64
  6.3 展望  64-65
致谢  65-66
参考文献  66-70
个人简历、在学期间发表的学术论文与研究成果  70

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中图分类: > 工业技术 > 机械、仪表工业 > 机械零件及传动装置 > 转动机件 > 轴承 > 静压轴承
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