基于轨迹法的高速气浮轴承转子动力学研究

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1、硕士学位论文基于轨迹法的高速气浮轴承转子动力学研究DYNAMICSTUDYOFAHIGHSPEEDROTORSUPPORTEDBYAIRJOURNALBEARINGSBASEDONORBITMETHOD殷腾飞哈尔滨工业大学2016年12月万方数据国内图书分类号：TH133.35学校代码：10213国际图书分类号：621密级：公开工程硕士学位论文基于轨迹法的高速气浮轴承转子动力学研究硕士研究生：殷腾飞导师：杜建军副教授申请学位：工程硕士学科：机械工程所在单位：深圳研究生院答辩日期：2016年12月授予学位单位：哈尔滨工业大学万方数据ClassifiedI

2、ndex:TH133.35U.D.C:621DissertationfortheMaster’sDegreeinEngineeringDYNAMICSTUDYOFAHIGHSPEEDROTORSUPPORTEDBYAIRJOURNALBEARINGSBASEDONORBITMETHODCandidate：YinTengfeiSupervisor：AssociateProf.DuJianjunAcademicDegreeAppliedfor：Master’DegreeofEngineeringSpeciality：MechanicalEngineerin

3、gAffiliation：ShenzhenGraduateSchoolDateofDefence：December,2016Degree-Conferring-Institution：HarbinInstituteofTechnology万方数据摘要摘要较传统轴承而言，气体轴承具有润滑粘度低，转速高，噪音小，回转精度高等优点，已广泛应用于精密车床和航空航天等领域。然而，当工作转速超过某界限值时，转子会失去稳定性，轴颈和轴套发生碰撞，这限制了气体轴承的应用范围。为提高气浮轴承转子系统的稳定性和安全性，本文开展了转子的动力学研究。随着工业上对转速和精度的更

4、高的要求，传统的小扰动方法已不适应。故本文采用轨迹法研究了气浮轴承转子动力学行为及系统稳定性。为研究转子的动态行为，推导了含有时间挤压项的雷诺方程。雷诺方程为二阶偏微分方程，使用伽辽金加权余量法对雷诺方程降阶处理，结合有限元方法将其离散，推导出了求解各节点气膜压力的方程式。通过积分获得气膜力和气膜力矩。针对转子柱面涡动和锥面涡动两种涡动形式，建立了气浮轴承转子系统的坐标系系统，进而推出了求解雷诺方程必需的气膜厚度表达式。考虑转子质量不均匀，推导了转子的平动和转动动力学方程。将动力学方程和雷诺方程交叉迭代求解，同时将雷诺方程中的时间项采用差分法处理，来获

5、得转子运动轨迹，并使用Matlab编写了仿真程序。通过仿真程序做出转子运动轨迹，研究了转子在初始偏心下的柱面涡动和初始偏摆下的锥面涡动的稳定性。分析了转子质量、角速度、轴承长径比、供气压力、两轴承之间的跨距以及转子的惯性张量等参数对稳定性的影响。与小扰动法不同，发现转子的稳定性与转子的初始偏心位置或偏摆角有关，并且存在一个稳定边界，当转子的初始位置或姿态在边界内时，转子稳定；在边界外时，转子失稳；在边界上时，转子临界稳定。该稳定边界的大小随着上述系统结构参数和运行参数而改变，并且找到了转子在整个气膜间隙内都稳定或者都失稳时的各参数的临界值。转子在不平衡

6、质量的激励下的运动较为复杂。以转子质量和转速为研究参数，通过仿真做出了转子中心运动的轨迹图、相图、频率图、Poincaré截面图和分岔图，来研究转子的非线性分岔行为。结果表明，随着转子质量和转速的增加，转子的振动都会由同步周期运动，转化为拟周期运动。关键词：气浮轴承；轨迹法；动力学；稳定性-I-万方数据ABSTRACTAbstractComparedtothetraditionalbearings,gasbearingshavetheadvantagesoflowviscosity,highrotationalspeed,lownoiseandhigh

7、precision,andhavebeenwidelyusedinprecisionlathe,spaceflightindustryandotherfields.However,whentherotationalspeedincreasestobemorethanacertainvalue,therotorwillbeunstable,thebearingandthejournalcontacteachother,whichseriouslylimitsthefurtheruseofgasbearings.Toimprovethestabilitya

8、ndsafetyofgasbearing-rotorsystem,thispaperresea