【正文】 施加自重和轉(zhuǎn)速情況下轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的固有頻率 ........................................... 39 施加自重和轉(zhuǎn)速情況下轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的各階振型 ........................................... 39 第 5章 總結(jié)和展望 .................................................................................. 43 總結(jié) .......................................................................................................... 43 展望 .......................................................................................................... 43 經(jīng)濟(jì)環(huán)保性分析 ....................................................................................... 43 參考文獻(xiàn) ...................................................................................................... 45 致謝 .............................................................................................................. 47 附錄 .............................................................................................................. 49 東北大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 1 章 緒論 1 第 1章 緒論 旋轉(zhuǎn)機(jī)械被廣泛地應(yīng)用于汽輪發(fā)電機(jī)組、航空發(fā)動(dòng)機(jī)、工業(yè)壓縮機(jī)及各種電動(dòng)機(jī)等機(jī)械裝置中，是電力、航空、化工等國民經(jīng)濟(jì)重要部門的關(guān)鍵設(shè)備，在這些領(lǐng)域中起著非常重要的作用。以上僅是事故造成的直接經(jīng)濟(jì)損失，而由事故帶來的間接經(jīng)濟(jì)損失和社會(huì)影響，更是難以估量。轉(zhuǎn)子上過大的不平衡量會(huì)導(dǎo)致轉(zhuǎn)子、軸承以及基礎(chǔ)大幅值的振動(dòng)，在特定條件下，會(huì)造成整個(gè)軸系斷裂的災(zāi)難性事故。常見的情況 有如運(yùn)行時(shí)葉片、圍帶或拉金斷裂飛脫、平衡塊飛脫、轉(zhuǎn)軸殘余應(yīng)力隨時(shí)間的釋放、葉片或葉輪的不均勻腐蝕、很向或軸向動(dòng)靜部件碰摩引起的局部熱變形等。在旋轉(zhuǎn)機(jī)械中，為了滿足高轉(zhuǎn)速、高效率的需求，轉(zhuǎn)子系統(tǒng)動(dòng)靜間隙越來越小，轉(zhuǎn)子與定子的碰摩故障不斷發(fā)生。雖然激發(fā)起的自由振動(dòng)是衰減的，但由于碰摩在每個(gè)旋轉(zhuǎn)周期內(nèi)都產(chǎn)生沖擊激勵(lì)作用，因此在一定條件下有可能使轉(zhuǎn)子的實(shí)際振動(dòng)成為旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的強(qiáng)迫振動(dòng)和沖擊產(chǎn)生的自由振動(dòng)的疊加。而轉(zhuǎn)子實(shí)驗(yàn)臺(tái)就是為模擬轉(zhuǎn)子碰摩振動(dòng)故障實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)開發(fā)的，對(duì)試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行詳盡的靜力學(xué)、動(dòng)力學(xué)分析，了解模型試驗(yàn)臺(tái)的靜、動(dòng)態(tài)特性，全面掌握其特性，這對(duì)試驗(yàn)臺(tái)的安全運(yùn)轉(zhuǎn)、研究抑制振動(dòng)的措施、進(jìn)行故障試驗(yàn)和故障試驗(yàn)分析具有重要的作用。有關(guān)油膜軸承穩(wěn)定性的兩篇重要的總結(jié)是由 Newkirk 和 Lund 寫出的，他們兩人也是轉(zhuǎn)東北大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 1 章 緒論 4 子動(dòng)力學(xué)研究的里程碑人物。旋轉(zhuǎn)機(jī)械在空間技術(shù)發(fā)展中也有著普遍的應(yīng)用。因此加強(qiáng)對(duì)超微機(jī)械轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)的理論和實(shí)驗(yàn)研究是一個(gè)迫切的課題。由于它們常在撓性狀態(tài)下工作， 所以其振動(dòng)和穩(wěn)定性問題就越發(fā)重要。計(jì)算大型轉(zhuǎn)子支承系統(tǒng)臨界轉(zhuǎn)速最常用的數(shù)值方法為傳遞矩陣法。求解這類問題須用數(shù)值計(jì)算或非線性振動(dòng)理論中的漸近方法或用級(jí)數(shù)展開法。在進(jìn)行撓性轉(zhuǎn)子（超臨界轉(zhuǎn)速工作的轉(zhuǎn)子）動(dòng)平衡時(shí)，主要用振型法和影響系數(shù)法。該作用力可用流體力學(xué)的公式求出，也可通過實(shí)驗(yàn)得出。 （ 3）理論成果指導(dǎo)應(yīng)用不夠，實(shí)驗(yàn)研究水平低。這一青黃不接的現(xiàn)象在航空發(fā)動(dòng)機(jī)等國防研究領(lǐng)域尤為突出。 本次研究的對(duì)象為轉(zhuǎn)子動(dòng)力試驗(yàn)臺(tái)。 壓縮機(jī)故障模擬實(shí)驗(yàn)臺(tái)整體設(shè)計(jì) 壓縮機(jī)故障模擬實(shí)驗(yàn)臺(tái)整體結(jié)構(gòu)如圖 和圖 所示 (標(biāo)號(hào) 111 表示壓縮機(jī)故障模擬試驗(yàn)臺(tái)各主要部件） 圖 壓縮機(jī)故障模擬實(shí)驗(yàn)臺(tái)效果圖 1 3 4 5 6 2 8 7 9 10 11 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) 10 圖 壓縮機(jī)故障模擬實(shí)驗(yàn)臺(tái) 壓縮機(jī)故障模擬試驗(yàn)臺(tái)結(jié)構(gòu)組成 1 壓縮機(jī)故障模擬試驗(yàn)臺(tái)電機(jī) (圖 ) 圖 壓縮機(jī)故障模擬實(shí)驗(yàn)臺(tái)電機(jī) 為了研究轉(zhuǎn)子在不同轉(zhuǎn)速下的碰摩情況，實(shí)驗(yàn)過程中需要連續(xù)可調(diào)的較高轉(zhuǎn)速。在轉(zhuǎn)子實(shí)驗(yàn)臺(tái)運(yùn)轉(zhuǎn)的過程中，轉(zhuǎn)子會(huì)受到偏心質(zhì)量引起的離心力和碰摩時(shí)的沖擊載荷。滑動(dòng)軸承能夠在高轉(zhuǎn)速運(yùn)行，并且能夠承受大的沖擊和振動(dòng)載荷。臺(tái)面進(jìn)行消除內(nèi)應(yīng)力的退火處理，以避免底座因應(yīng)力的重新分布而引起的變形，保證臺(tái)面表面的平面度，從而確保兩個(gè)軸承處具有相同的軸心高度。進(jìn)給系統(tǒng)為步進(jìn)電機(jī)螺紋螺桿傳動(dòng)，使滑塊沿燕尾槽直線運(yùn)動(dòng)，從而帶動(dòng)固定于滑塊上的外支架移動(dòng)，從而改變定轉(zhuǎn)子間間隙，從而改變碰摩程度。 碰摩裝置方案的選擇及其設(shè)計(jì) 經(jīng)過加工經(jīng)濟(jì)性，整體剛度，進(jìn)給穩(wěn)定性等多方面的綜合比較，本人選取了第四種碰摩裝置設(shè)計(jì)方案，下面對(duì)該碰摩裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行詳細(xì)說明。 (6)能高速進(jìn)給 由于滾珠絲杠機(jī)構(gòu)可以制造成較大的導(dǎo)程，傳動(dòng)效率高，發(fā)熱低，因而能實(shí)現(xiàn)高速進(jìn)給。 絲桿精度選擇：工作行程為 270mm，要求從一個(gè)方向進(jìn)給時(shí)定位精度為? ,故精度等級(jí)為 C7。在一定的絲杠外徑下，絲桿有可能無法承受使用條件下的最大軸向載荷而發(fā)生彎曲，因此還必須對(duì)初選絲桿進(jìn)行軸向允許載荷校核，使絲桿直徑具有足夠的剛度，保證在最大軸向載荷下絲桿不會(huì)發(fā)生彎曲變形。 軸向允許載荷計(jì)算及校核：計(jì)算出最大軸向載荷后，就可以直接進(jìn)行軸向允許載荷計(jì)算及校核了，校核原則為： 1 在最大軸向載荷作用下絲杠不會(huì)發(fā)生彎曲 2 在最大軸向載荷下作用絲桿不會(huì)發(fā)生屈服 1 絲桿在不發(fā)生彎曲的前提下所允許的最大軸向載荷計(jì)算：這種軸向允許載荷與絲杠安裝方法，絲杠安裝間距，絲杠溝槽最小直徑等因素有關(guān) 計(jì)算公式為 42422211 10π50 ???? LdηL r (39) 其中， P1—— 最大軸向允許載荷， N。 Dr—— 絲桿溝槽最小直徑， mm； σ — 絲杠材料的允許拉伸壓縮應(yīng)力（通常情況下 ζ =147N/mm2). 校核原則：必須保證實(shí)際最大軸向載荷小于上述最大軸向允許載荷計(jì)算值。 滾珠絲杠壽命計(jì)算及校核 即使是合理的設(shè)計(jì)、選用滾珠絲杠機(jī)構(gòu)，經(jīng)歷了一定時(shí)間的運(yùn)行后，滾珠絲杠機(jī)構(gòu)都會(huì)因?yàn)槟p而不能繼續(xù)使用，從開始使用直至不能使用的時(shí)間稱為滾珠絲杠的壽命，造成滾珠絲杠壽命有限的原因除磨損造成的精度下降外，還有因?yàn)槠谠斐傻钠趬勖?，工程上主要以滾珠絲杠的疲勞壽命來推算其額定壽命。 電機(jī)的選型： 由于滾珠絲桿機(jī)構(gòu)一般都用于精密的進(jìn)給機(jī)構(gòu)，所以在使用滾珠絲桿時(shí)，通常都通過伺服電機(jī)或步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，其中伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)一般用在要求高精度、高效率，高可靠的運(yùn)動(dòng)控制場合，而步進(jìn)電機(jī)用在要求比伺服電機(jī)稍低的場合， 步進(jìn)電機(jī)是一種能將數(shù)字輸入脈沖轉(zhuǎn)換成旋轉(zhuǎn)或直線增量運(yùn)動(dòng)的電磁執(zhí)行元件 ， 每輸入一進(jìn)一個(gè)步距角增量 ， 電機(jī)總的回轉(zhuǎn)角與輸入脈沖數(shù)成正比例，相應(yīng)的轉(zhuǎn)速取決于輸入脈沖頻率 。 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) 26 3 電機(jī)扭矩 電機(jī)所需要的驅(qū)動(dòng)扭矩在等速運(yùn)動(dòng)、加速運(yùn)動(dòng)、減速運(yùn)動(dòng)時(shí)是不同的，應(yīng)根據(jù)式計(jì)算出電機(jī)所需要的驅(qū)動(dòng)扭矩的最大值，所選用的步進(jìn)電機(jī)應(yīng)滿足以下關(guān)系：電機(jī)的額定輸出扭矩 TM 負(fù)載的最大扭矩。因?qū)к壴诠ぷ鬟^程中難免磨損，所以應(yīng)力求減少磨損量，并在磨損后能自動(dòng)補(bǔ)償或便于調(diào)整。 定子部分由兩個(gè)半圓弧結(jié)構(gòu)的鋁合金滑套組成，使用鋁合金材料能減小碰摩時(shí)軸的磨損，滑套 通過螺釘連接固定在固定架上，固定架為鋼結(jié)構(gòu)，通過螺栓連接上下兩部分，其上下左右通過固定板連接了四個(gè) 9333A 型壓力傳器。 1964 年 Besseling 。在此基礎(chǔ)上。 1969 年 Oden 。 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) 29 圖 碰摩裝置定子部分固定結(jié)構(gòu) 東北大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 4 章 壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子的靜力學(xué)與模態(tài)分析 29 第 4章 壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子系統(tǒng) 靜力學(xué)與模態(tài)分析 有限元分析方法簡介 有限元法是以計(jì)算機(jī)為工具、根據(jù)變分原理求解數(shù)學(xué)和物理問題的一種現(xiàn)代數(shù)值計(jì)算方法。 （ 4）低速運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性 要使導(dǎo)軌的摩擦阻力小，運(yùn)動(dòng)輕便，低速運(yùn)動(dòng)時(shí)無爬行現(xiàn)象。 滾珠絲杠一般采用角接觸球軸承和深溝球軸承進(jìn)行支撐，其中軸向角接觸球軸承是一種具有高剛度、低扭矩、高精度、能承受很大軸向負(fù)載的特殊角接觸球軸承，通過考慮，本次設(shè)計(jì)選用的是軸向角接觸球軸承，其型號(hào)為 7204C,下面計(jì)算該軸承的壽命； 收集相關(guān)受力數(shù)據(jù)，建立力學(xué)模型（圖 37），其中 R1=R1=2N,Fa=165N。步進(jìn)電機(jī)慣量低、定位精度高、無累積誤差、控制簡單等特點(diǎn)。 Lh—— 由運(yùn)行時(shí)間表示的額定疲勞壽命， h。 42 ??P N, 故滿足要求。 Dr—— 絲杠溝槽最小直徑， mm。 圖 滾珠絲桿機(jī)構(gòu)工作示意圖 根據(jù)力學(xué)原理，可知各種工作情況下的軸向載荷分別為： 加速前進(jìn)時(shí) mafumgF ???1 (33) 等速前進(jìn)時(shí) fumgF ??2 (34) 減速前進(jìn)時(shí) mafumgF ???3 (35) 加速返回時(shí) mafu mgF ????4 (36) 等速返回時(shí) fumgF ???5 (37) 減速返回時(shí) mafu m gF ????6 (38) 其中， F1~F6—— 各種運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下的軸向載荷， N。 校核：根據(jù)導(dǎo)程定義，電機(jī)所需要的轉(zhuǎn)速 NM, 與最大進(jìn)給速度 Vmax， 絲桿導(dǎo)程 PB， 減速比 i之間的關(guān)系為（初步選用步進(jìn)電機(jī)型號(hào)為 42HS02，步距角為? ，即轉(zhuǎn)一圈為 200 個(gè)脈沖） ipVN BM 60103m a x ??? （ 31） 其中， NM——— 電機(jī)所需要的轉(zhuǎn)速， r/min。 (7)傳動(dòng)效率高 通常在螺紋絲杠機(jī)構(gòu)中僅能夠達(dá)到 20%40%的機(jī)械傳動(dòng)效率，而滾珠絲杠機(jī)構(gòu)可以獲得很高的機(jī)械傳動(dòng)效率，最高可以達(dá)到 98%. 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) 20 (8)使用壽命長 滾珠絲杠機(jī)構(gòu)中螺母及絲杠的硬度均達(dá)到 HRC58HRC62，滾珠硬度達(dá)到 HRC62HRC66，而且采用滾動(dòng)的相對(duì)運(yùn)動(dòng)方式，幾乎在沒有磨損的狀態(tài)下運(yùn)行，因而可以達(dá)到較長的使用壽命。 滾珠絲杠機(jī)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)： (1) 驅(qū)動(dòng)扭矩小 由于滾珠絲杠機(jī)構(gòu)運(yùn)行時(shí)滾珠沿絲杠與螺母共同組成的螺旋滾道作滾動(dòng)運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)阻力極小，驅(qū)動(dòng)扭矩僅為為螺紋絲桿機(jī)構(gòu)的 1/3 以下，只需要很小的驅(qū)動(dòng)功率 [10]。整個(gè)碰摩裝置上部結(jié)構(gòu)較方案一更加穩(wěn)定。 10 隔振橡膠 隔震橡膠能大大減小實(shí)驗(yàn)臺(tái)振動(dòng)向地面的傳遞。 但這樣會(huì)使軸承容易磨損，因此軸承用耐磨性較好的銅合金制造，并在軸承和軸承座的頂部開設(shè)油孔東北大學(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) 12