【正文】 東北大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 目錄 V 目 錄 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）任務(wù)書 .......................................................................... I 摘要 ............................................................................................................... II Abstract ........................................................................................................ III 第 1章 緒論 .......................................................................錯(cuò)誤 !未定義書簽。這些旋轉(zhuǎn)機(jī)械的安全穩(wěn)定運(yùn)行，對(duì)企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益和國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展具有重要意義。全國各電網(wǎng)中在役大設(shè)備出現(xiàn)振動(dòng)故障影響電力生產(chǎn)的案例更是 屢屢發(fā)生。大量實(shí)例說明，振動(dòng)大是設(shè)備故障的必要條件，即設(shè)備出現(xiàn)故障時(shí)必然會(huì)在振動(dòng)上有所反映。在設(shè)計(jì)、制造、安裝質(zhì)量完好的前提下設(shè)備正式投運(yùn)后同樣可能因各種原因出現(xiàn)新的振動(dòng)問題，如轉(zhuǎn)子平衡狀態(tài)的變化等。 質(zhì)量不平衡是引起設(shè)備軸系振動(dòng)大的最常見原 因。轉(zhuǎn)子在制造廠或在現(xiàn)場加工過程中，由于機(jī)床的精度和人為操作的原因，不可避免地會(huì)使轉(zhuǎn)軸幾何尺寸存在徑向誤差 。轉(zhuǎn)子毛坯無論是鍛件還是焊接件，都會(huì)存在熱應(yīng)力，這種熱應(yīng)力是日后轉(zhuǎn)子熱變形的潛在原因。從振動(dòng)角度看，轉(zhuǎn)軸的熱變形將使軸線彎曲，引起質(zhì)量徑向 位置的偏移，成為軸系振動(dòng)隨溫度增大的主要原因之一。特別是汽輪發(fā)電機(jī)組，隨著向高參數(shù)、大容量的方向發(fā)展，汽輪機(jī)動(dòng)靜間隙越來越小，軸封、油擋、隔板汽封發(fā)生動(dòng)靜碰摩的機(jī)會(huì)越來越多，氫冷發(fā)電機(jī)的密封瓦也會(huì)經(jīng)常發(fā)生動(dòng)靜碰摩現(xiàn)象。當(dāng)摩擦力矩大于轉(zhuǎn)子的阻尼力矩時(shí)，轉(zhuǎn)子會(huì)從正向渦動(dòng)轉(zhuǎn)向反向渦動(dòng)，特別是對(duì)于整周摩擦，會(huì)產(chǎn)生所謂的 ―千摩擦 ‖現(xiàn)象，從而引起自激振動(dòng)，影響轉(zhuǎn)子正常運(yùn)行，甚至損壞機(jī)組。 動(dòng)靜摩擦和碰撞產(chǎn)生的熱量會(huì)使轉(zhuǎn)子的溫度場發(fā)生變化，導(dǎo)致轉(zhuǎn)子熱態(tài)彎曲，產(chǎn)生熱態(tài)不平衡力，引起機(jī)組振動(dòng)。目前國內(nèi)已有 30多臺(tái)機(jī)組在空負(fù)荷或帶負(fù)荷下多次產(chǎn)生碰摩振動(dòng)事故，引發(fā)突發(fā)性振動(dòng)或振幅長時(shí)間大幅度地波動(dòng)，有些機(jī)組因振 動(dòng)過大而被迫打閘停機(jī)。 、現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢 轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)是一門既有理論深度，又有很強(qiáng)的實(shí)踐性的應(yīng)用基礎(chǔ)學(xué)科，它的形成與發(fā)展伴隨著大工業(yè)的發(fā)展和科技進(jìn)步，已走過了一個(gè)多世紀(jì)的路程。這一結(jié)論使得旋轉(zhuǎn)機(jī)械的功率和使用范圍大大提高了，許多工作轉(zhuǎn)速超過臨界的渦輪機(jī)、壓縮機(jī)和泵等對(duì)工業(yè)革命起了很大的作用。 50 年代以來，電力、航空、機(jī)械、化工工業(yè)的迅猛發(fā)展極大地推動(dòng)了轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)的研究。早期的轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)研究包含了數(shù)學(xué)、理論力學(xué)、結(jié)構(gòu)力學(xué)、穩(wěn)定 性理論、流體動(dòng)力潤滑理論、摩擦學(xué)等學(xué)科，后來又涉及到氣動(dòng)力學(xué)、控制理論、彈性力學(xué)、計(jì)算力學(xué)、有限元方法、實(shí)驗(yàn)技術(shù)、信號(hào)采集與處理技術(shù)、非線性動(dòng)力學(xué)、電磁學(xué)、流變學(xué)、新材料與智能材料等學(xué)科。但在微重力環(huán)境下，轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)現(xiàn)有的許多理論和研究成果都受到了挑戰(zhàn)，需要作很大的修正。 題 微機(jī)械的問世和發(fā)展對(duì)轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)提出了新的挑戰(zhàn)，如上海交大研制成的 2 mm 微電機(jī)就為轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)的分析和實(shí)驗(yàn)帶來了許多新問題。 在旋轉(zhuǎn)式人工心臟、人體微型 ―清道夫 ‖的研制和分子馬達(dá)的研究中可能會(huì)遇到轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)的問題。轉(zhuǎn)子是渦輪機(jī)、電機(jī)等旋轉(zhuǎn)式機(jī)械中的主要旋轉(zhuǎn)部件 。轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)的研究內(nèi)容主要有以下 5個(gè)： （ 1）臨界轉(zhuǎn)速。為確保機(jī)器在工作轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)不致發(fā)生共振，臨界轉(zhuǎn)速應(yīng)適當(dāng)偏離工作轉(zhuǎn)速例如 10％以上。其要點(diǎn)是：先把轉(zhuǎn)子分成若干段，每段左右端 4個(gè)截面參數(shù)（撓度、撓角、彎矩、剪力）之間的關(guān)系可用該段的傳遞矩陣描述。一般轉(zhuǎn)子都是變速通過臨界轉(zhuǎn)速的，故通過臨界轉(zhuǎn)速的狀態(tài)為不平穩(wěn)狀態(tài)。 （ 3）動(dòng)力響應(yīng)。確定轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)轉(zhuǎn)子的質(zhì)心、中心主慣性軸對(duì)旋轉(zhuǎn)軸線的偏離值產(chǎn)生東北大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 1 章 緒論 6 的離心力和離心力偶的位置和大小并加 以消除的操作。它們是轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)研究的重點(diǎn)。轉(zhuǎn)子的不穩(wěn)定通常是指不存在或不考慮 周期性干擾下，轉(zhuǎn)子受到微擾后產(chǎn)生強(qiáng)烈橫向振動(dòng)的情況。一般是通過線性化方法，將作用力表示為軸頸徑向位移和徑向速度的線性函數(shù)，從而求出轉(zhuǎn)子開始進(jìn)入不穩(wěn)定狀態(tài)的轉(zhuǎn)速 ——門限轉(zhuǎn)速。我國目前在密封動(dòng)力學(xué)、航空發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)、磁軸承等方面的研究離世界水平還有較大差距，而在全尺寸轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)的實(shí)驗(yàn)研究方面的差距更大。我國目前在轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)的實(shí)驗(yàn)研究方面水平普遍較低，且實(shí)驗(yàn)越來越少。 （ 4）研究隊(duì)伍老化，高水平的研究群體不多。因此培養(yǎng)能穩(wěn)定地從事轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)研究的青年學(xué)者是當(dāng)務(wù)之急。故盡快研制和推廣高水平的國產(chǎn)轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)分析和監(jiān)測、診斷系統(tǒng)是有關(guān)專家學(xué)者義不容辭的職責(zé)。為詳細(xì)了解實(shí)驗(yàn)臺(tái)的靜動(dòng)態(tài)特性，全面掌握起特性，從而展開設(shè)備監(jiān)測診斷工作，所以主要工作分為以下幾個(gè)方面： (1) 使用 SolidWorks 對(duì)壓縮機(jī)故障模擬試驗(yàn)臺(tái) 部分零部件 進(jìn)行三維建模 ，重點(diǎn)完成對(duì)碰摩裝置的改進(jìn)設(shè)計(jì)，完成碰摩裝置零部件的三維建模和裝配，熟悉壓縮機(jī)故障模擬實(shí)驗(yàn)臺(tái)的裝配過程； (2) 采用 CAXA 二維畫圖軟件， 完成 對(duì) 壓縮機(jī)故障模擬試驗(yàn)臺(tái)部分零部件的 CAXA出圖 ； (3) 采用 ANSYS 軟件 對(duì) 壓縮機(jī)故障模擬試驗(yàn)臺(tái)轉(zhuǎn)子系統(tǒng) 進(jìn)行靜強(qiáng)度分析 ，對(duì)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)進(jìn)行有限元網(wǎng)格劃分，分為 對(duì)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)只施加自重與施加自重和轉(zhuǎn)速兩種情況，分別對(duì)其進(jìn)行靜強(qiáng)度分析，計(jì)算轉(zhuǎn)子系統(tǒng)最大應(yīng)力發(fā)生的部位及其大??； (4) 使用 ANSYS 軟件對(duì)壓縮機(jī)故障模擬試驗(yàn)臺(tái)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)進(jìn)行模態(tài)分析，分別對(duì)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)只施加自重與施加自重和轉(zhuǎn)速兩種情況，對(duì)其進(jìn)行模態(tài)分析，計(jì)算轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的固有頻率，分析轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的各階振型。這種模型得到的結(jié)論應(yīng)用于簡單旋轉(zhuǎn)機(jī)械足夠準(zhǔn)確。本實(shí)驗(yàn)臺(tái)選擇 高速電主軸，其主要優(yōu)點(diǎn)：電主軸具有結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕、慣性小、振動(dòng)小、噪聲低、響應(yīng)快等優(yōu)點(diǎn)，而且轉(zhuǎn)速高、功率大，簡化機(jī)床設(shè)計(jì)，是高速主軸單元中的一種理想結(jié)構(gòu)。 2 錐軸 東北大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 2 章 壓縮機(jī)故障模擬試驗(yàn)臺(tái)的設(shè)計(jì) 11 壓縮機(jī)故障模擬實(shí)驗(yàn)臺(tái)的錐軸在電機(jī)的帶動(dòng)下高速旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)子 的微小偏心都會(huì)引起很大的離心力，而且在碰摩時(shí)還會(huì)承受沖擊載荷。如果轉(zhuǎn)軸的強(qiáng)度不夠，會(huì)使轉(zhuǎn)軸發(fā)生永久性變形，從而使實(shí)驗(yàn)臺(tái)報(bào)廢；而且由于轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速很高，如果其強(qiáng)度得不到保證會(huì)對(duì)實(shí)驗(yàn)人員造成安全隱患 [7]?；瑒?dòng)軸承工作平穩(wěn)、可靠、無噪聲。為使結(jié)構(gòu)簡單，滑動(dòng)軸承沒有密封。隨著轉(zhuǎn)速、振動(dòng)條件變化，通過測量飛離的臨界條件可以用來模擬測量機(jī)轉(zhuǎn)子質(zhì)量不平衡引發(fā)的轉(zhuǎn)子振動(dòng)的問題。在底座方槽的兩側(cè)加工了兩排螺紋孔，用于軸承座、傳感器和碰摩裝置的固定，并在底座側(cè)面加工螺紋孔用于電機(jī)和電機(jī)板的固定，方便調(diào)整各個(gè)部件的位置 [8]。 東北大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 3 章 碰摩裝置的設(shè)計(jì) 15 第 3章 碰摩裝置的設(shè)計(jì) 碰摩裝置的初步設(shè)計(jì)方案 旋轉(zhuǎn)機(jī)械中轉(zhuǎn)定子碰摩指轉(zhuǎn)子振動(dòng)超過許用間隙發(fā)生的轉(zhuǎn)子與定子的接觸現(xiàn)象。 東北大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 3 章 碰摩裝置的設(shè)計(jì) 16 方案二（圖 ） 圖 碰摩裝置 該方案為本人初步設(shè)計(jì)的碰摩裝置第一個(gè)方案，其中碰摩裝置定子部分直接由兩個(gè)內(nèi)部為半圓柱的固定架結(jié)構(gòu)構(gòu)成，材料均為鋁合金，固定架的上下左右通過固定板連接了四個(gè) 9333A 型壓力傳感器，再將該部分通過螺釘連接固定在外部的倆個(gè)支架上。 東北大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 3 章 碰摩裝置的設(shè)計(jì) 17 方案三（圖 ） 圖 碰摩裝置 此方案為本人初步設(shè)計(jì)的碰摩裝置的第二個(gè)方案，碰摩裝置的上部結(jié)構(gòu)與方案二無異，而將進(jìn)給系統(tǒng)改為更為精密的步進(jìn)電機(jī)絲杠傳動(dòng)，該傳動(dòng)方式不僅進(jìn)給摩擦力小，而且傳動(dòng)更為平穩(wěn)精確。 設(shè)計(jì) 東北大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 3 章 碰摩裝置的設(shè)計(jì) 19 本次設(shè)計(jì)的碰摩裝置傳動(dòng)結(jié)構(gòu)為步進(jìn)電機(jī) 滾珠 絲桿傳動(dòng)。 (4)能微量進(jìn)給 由于滾珠絲杠機(jī)構(gòu)中的液珠為滾動(dòng)運(yùn)動(dòng)方式，啟動(dòng)扭矩極小，不會(huì)出現(xiàn)如滑動(dòng)運(yùn)動(dòng)中容易出現(xiàn)的低速蠕動(dòng)或爬行現(xiàn)象，所以能實(shí)現(xiàn)高精度微量進(jìn)給。在保證低于滾珠絲杠機(jī)構(gòu)臨界轉(zhuǎn)速的前提下，大導(dǎo)程滾珠絲杠副可以實(shí)現(xiàn) 100m/min 甚至更高的進(jìn)給速度。 絲桿的材料選擇和形狀設(shè)計(jì)：絲杠材料選用常用的 高碳鉻軸承鋼 GCr15， 由于試驗(yàn)臺(tái)空間的限制，絲桿總長設(shè)計(jì)為 360mm,其中有效驅(qū)動(dòng)長度為 270mm，支撐端設(shè)計(jì)為光軸形式，長度為 60mm,通過彈性聯(lián)軸器與步進(jìn)電機(jī)相連，固定端需設(shè)計(jì)為帶鎖緊螺紋的結(jié)構(gòu) ,長度為 30mm，導(dǎo)程設(shè)計(jì)為 5mm,此為根據(jù)外觀進(jìn)行的初步設(shè)計(jì)，下面會(huì)有其可行性的分析。 絲杠導(dǎo)程的選擇：初步設(shè)計(jì)導(dǎo)程為 5mm,方向右旋。 東北大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 3 章 碰摩裝置的設(shè)計(jì) 21 i— 電機(jī)至絲杠的減速比，當(dāng)電機(jī)與絲桿直連時(shí)即為減速器的減速比。因此首先要計(jì)算最大軸向載荷。 u— 直線導(dǎo)軌副的摩擦系數(shù)； f— 導(dǎo)軌無載荷時(shí)的運(yùn)動(dòng)阻力， N. 根據(jù) 上述各式 可以看出，前進(jìn)行程中加速階段的軸向載荷為最大軸向載荷，大小為 mafumgF ???1 。 E— 楊氏彈性模量（通常情況下絲杠材料的 E=105N/mm2) L— 絲杠安裝間距， mm。校核原則：必須保證實(shí)際最大軸向載荷小于上述軸向允許載荷計(jì)算值。 實(shí)際上由于碰摩裝置進(jìn)給速度很慢，難以接近絲杠固有頻率，故絲杠在其固有頻率以下運(yùn)行，故不再進(jìn)行臨界轉(zhuǎn)速的計(jì)算。 螺母實(shí)際允許的最大軸向載荷為 saa fCF 0max? （ 311） 其中， aC0 額定靜載荷， N。 滾珠絲杠的疲勞壽命可以分別由總轉(zhuǎn)速、實(shí)際運(yùn)行時(shí)間兩總方法來表示，計(jì)算公式分別為 63 10??????????nWnR FfCL （ 312） sBrrh nlPLNLL 60260 ??? （ 313） 其中， Lr— 由總轉(zhuǎn)數(shù)表示的額定疲勞壽命， r。 N— 絲杠轉(zhuǎn)速， r/min PB—— 絲杠導(dǎo)程， mm N— 工作臺(tái)每分鐘往復(fù)次數(shù)，次 /min。步進(jìn)電機(jī)是機(jī)電一體化產(chǎn)品中關(guān)鍵部件之一，通常被定位控制和定速控制。下面確定其主要參數(shù)： 1 脈沖當(dāng)量 Δl 步進(jìn)電機(jī)的脈沖當(dāng)量實(shí)際上就是步進(jìn)電機(jī)每一個(gè)脈沖的進(jìn)給量，也稱為最小進(jìn)給量。為了保證電機(jī)可靠工作，必須考慮一個(gè)附加安全系數(shù)，通常取計(jì)算出的電機(jī)所需要驅(qū)動(dòng)扭矩最大值的 2 倍，作為電 機(jī) 的 最 小 額 定 輸 出 扭 矩 ， 即 ? ?nLM TTT ?? 2 (316) 4 確定電機(jī)的矩頻特性 最后，電機(jī)的矩頻特性必須能滿足機(jī)械系統(tǒng)的負(fù)載扭矩并具有一定的余量，保證電機(jī)運(yùn)行可靠。對(duì)導(dǎo)軌的要求有： （ 1）導(dǎo)軌精度高 導(dǎo)軌精度是指機(jī)床的運(yùn)動(dòng)部件沿導(dǎo)軌移動(dòng)時(shí)的直線和它與有關(guān)基面之間的相互位置的準(zhǔn)確性。 東北大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 3 章 碰摩裝置的設(shè)計(jì) 28 （ 3）足夠的剛度 導(dǎo)軌受力變形會(huì)影響部件之間的導(dǎo)向精度和相對(duì)位置，因此要求軌道應(yīng)有足夠的剛度。 （ 2）導(dǎo)軌的熱處理 數(shù)控機(jī)床的開動(dòng)率普遍都很高，這就要求導(dǎo)軌具有較高的耐磨性，以提高其精度保持性。再將該部分通過螺釘連接固定在外部的兩個(gè)支架上（圖 ）。 1954 年， Argris 系統(tǒng)的剛度矩陣，使已經(jīng)成熟的桿件位移法可以用來分析連續(xù)介質(zhì)。 1965 年我國的馮康在總結(jié)劉家峽大壩設(shè)計(jì)中的計(jì)算問題后，發(fā)表了《基于變分原理的差分格式》論文。 如今，有限元法在航空、航天、造船、建筑等方面得到了廣泛的應(yīng)用，在機(jī)械、化工、海洋、生物、水利、核能、地質(zhì)等領(lǐng)域的應(yīng)用正在發(fā)