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支承条件改变对磁悬浮轴承系统动态特性影响的研究

作　者: 林吉凯
导　师: 周瑾
学　校: 南京航空航天大学
专　业: 机械设计及理论
关键词: 磁悬浮轴承刚度阻尼转子动力学临界转速有限元磁流变阻尼器
分类号: TH133.3
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
下　载: 88次
引　用: 4次
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内容摘要

本文主要研究了细长轴磁悬浮轴承及其转子系统的动力学特性,包括刚度、阻尼及不同基础支承对磁悬浮轴承动力学特性的影响。首先研究单自由度磁悬浮轴承的动力学特性,设计并制作了一套单自由度磁悬浮轴承装置;从理论上计算磁力大小、刚度系数,并通过实验和在ANSYS软件中仿真验证;利用NASTRAN软件对推力盘和轴的装配体进行模态分析,并采用锤击法进行试验模态分析,确定了装配体的前两阶固有频率;利用锤击法对悬浮状态下的轴承进行实验,研究其刚度、阻尼特性,得到刚度阻尼值。在此基础上,利用单自由度磁流变阻尼器,调节控制电流,改变阻尼器所提供的附加阻尼,研究其对单自由度磁悬浮轴承的动力学特性的影响。结果表明,磁流变阻尼器提供的阻尼力随着阻尼器控制电流的变化而变化,且能较好的抑制单自由度磁悬浮轴承振动,实验结果与理论分析一致。在五自由度磁悬浮轴承转子系统方面,着重研究支承条件的改变对转子系统动态特性的影响。在有限元分析软件ANSYS及NASTRAN中建立柔性转子模型并进行模态分析、转子动力学分析,得到固有频率、振型及临界转速;通过转子的试验模态分析,得到实验结果,与有限元分析结果较为接近,验证了有限元分析的合理性;通过在有限元软件中改变对转子的支承刚度和阻尼,进一步分析转子的临界转速,模态频率的变化情况,结果表明:临界转速随着支承刚度的增加而增加,低阶临界转速随着支承阻尼的增加而增加;将五自由度磁悬浮轴承放置在刚度阻尼不同的材料上进行悬浮状态下的转子的实验模态分析,考察基础支承对临界转速的影响,确定刚度阻尼的改变对其动力学特性的影响。

全文目录

摘要  4-5
ABSTRACT  5-13
第一章绪论  13-18
  1.1 磁悬浮轴承概述  13-14
  1.2 磁悬浮轴承动力学研究现状  14-15
  1.3 磁流变阻尼器及其应用研究现状  15-16
  1.4 课题研究的目的和意义  16-17
  1.5 研究生期间工作及论文内容安排  17-18
第二章磁悬浮轴承基础理论  18-28
  2.1 磁悬浮轴承的工作原理  18-19
  2.2 磁悬浮轴承的刚度与阻尼  19-22
    2.2.1 磁悬浮轴承刚度的定义  19-21
    2.2.2 磁悬浮轴承阻尼的定义  21-22
  2.3 弹簧阻尼系统与磁悬浮轴承转子系统  22-27
    2.3.1 基本理论  22-25
    2.3.2 磁悬浮轴承频响函数的测量  25-27
  2.4 本章小结  27-28
第三章单自由度磁悬浮轴承特性研究  28-49
  3.1 单自由度磁悬浮轴承的设计  28-29
  3.2 单自由度磁悬浮轴承力-电流系数的计算与测定  29-35
    3.2.1 单自由度磁悬浮轴承磁场有限元仿真  29-30
    3.2.2 理论计算  30-31
    3.2.3 实验验证  31-35
  3.3 单自由度推力盘和轴的装配体有限元分析  35-36
  3.4 单自由度推力盘和轴的装配体试验模态分析  36-39
  3.5 单自由度磁轴承整体模态实验  39-40
  3.6 推力盘稳定悬浮状态下的锤击实验  40-42
  3.7 利用扫频测量轴承刚度  42-43
  3.8 磁流变阻尼器应用实验  43-48
    3.8.1 单自由度磁悬浮轴承与磁流变阻尼器的组装  43-45
    3.8.2 实验过程  45
    3.8.3 数据分析  45-48
    3.8.4 实验结论  48
  3.9 本章小结  48-49
第四章五自由度磁悬浮轴承动力特性  49-75
  4.1 转子动力学概述  49-54
    4.1.1 转子动力学的计算特点  50
    4.1.2 转子质量的离散化  50-53
    4.1.3 支承的简化模型及支承的总刚度系数  53-54
  4.2 转子理论计算及有限元分析  54-63
    4.2.1 ANSYS 转子动力学算例  54-56
    4.2.2 转子有限元计算  56-62
    4.2.3 分析结果小结  62-63
  4.3 转子自由状态下的模态实验  63-67
    4.3.1 试验模态分析（EMA）概述  63-65
    4.3.2 转子模态实验  65-67
  4.4 稳定悬浮下的模态试验  67-70
  4.5 在不同支承条件下的模态试验  70-73
    4.5.1 采用泡沫作为支承基础的实验  70-72
    4.5.2 采用轮胎作为支承基础的实验  72-73
    4.5.3 不同基础实验小结  73
  4.6 本章小结  73-75
第五章总结与展望  75-77
  5.1 本文完成的主要工作  75-76
  5.2 需要进一步研究的工作  76-77
参考文献  77-80
致谢  80-81
攻读硕士学位期间发表论文  81-82
附录  82-93
  1. ANSYS 计算转子动力学命令流（部分）  82-83
  2. 力电流系数拟合MATLAB 代码及计算结果  83-84
    表一位移_力  83-84
    表二电流_力  84
  3. N-Modal 配置文件  84-87
    表一 N-Modal 配置文件（单自由度）  84-85
    表二 N-modal 配置文件（转子自由自由状态模态实验）  85-86
    表三 N-modal 配置文件（转子稳定悬浮下的模态实验）  86-87
  4. NASTRAN bdf（Bulk Data File）文件  87-91
  5. 单自由度磁悬浮轴承磁场分析结果  91-93
    1）二维磁场分析  91-93
    2）三维磁场分析  93

支承条件改变对磁悬浮轴承系统动态特性影响的研究

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