转子动力学模拟实验台结构设计毕业论文
2021-11-18 22:25:06
论文总字数：24790字
摘 要
本文对单跨单盘转子动力学模拟试验台进行了结构设计，使其能够达到功率5kW、转速20000r/min这一设计要求。本文根据现有转子试验台结构，首先对转子试验台的整体结构进行了分析，将转子试验台分为四个主要部分，包括动力系统、转子、支承和测量装置，并对各个部分的设计思路进行了论述，针对重要零部件提出不同的设计方案。随后根据设计要求，从转子结构设计展开，以转子运动为中心，逐步完成各个机械结构的设计，同时对标准件进行选型，并对转子轴、轴承等重要连接件进行强度校核。通过对传感器优缺点对比和结构分布完成传感器的选择，使转子试验台可以测量转子转速、轴心轨迹和轴承座的振动，完成固有频率辨识实验和转子动平衡配重实验。
关键词：试验台；转子；动力系统；测量装置；支承
Abstract
In the paper, the structure of a rotor dynamics simulation test bench with single span and single disk is designed, which can meet the design requirements of 5kW power and 20000r / min speed. According to the structure of the existing rotor test bench, this paper firstly analyzes the overall structure of the rotor test bench. The rotor test bench is divided into four main parts, including the power system, rotor, support and measuring device. The design ideas of each part are discussed, and different design schemes for important parts are proposed. Then according to the design requirements, from the design of rotor structure and take the rotor movement as the key point, gradually complete the design of each mechanical structure. At the same time, select the standard parts, and check the strength of the rotor shaft, bearing and other important connecting parts. After choosing the sensors by considering the structure distribution, advantages and disadvantages, the rotor test bench, which is able to measure the rotor speed, the shaft center track and the vibration of the bearing pedestal, can be used for the natural frequency identification experiment and the rotor dynamic balance weight experiment.
Keywords: Test bench; rotor; dynamic system; measuring device; supporting
目 录
第1章 绪 论 1
1.1 引言 1
1.2 国内外研究现状 1
1.2.1 转子动力学发展 1
1.2.2 转子试验台发展现状 2
第2章 转子试验台结构分析 4
2.1转子结构分析 5
2.1.1转子轴 5
2.1.2转子盘 5
2.2动力系统设计 5
2.2.1电机的设计选用 5
2.2.2传动机构 6
2.2.3联轴器 6
2.3支承结构分析 6
2.3.1轴承 6
2.3.2轴承座 7
2.3.3电机支架 7
2.3.4试验台底座 7
2.4测量装置分析 8
2.4.1传感器 8
2.4.2传感器支架的结构设计 9
第3章 试验台结构与尺寸设计 10
3.1试验台转子 10
3.1.1转子设计及强度校核 10
3.1.2转子轴临界转速仿真计算 11
3.2轴承的设计 15
3.3润滑及润滑装置 18
3.4轴承座结构设计 19
3.5电机部分的设计与选用 21
3.5.1电机的选用 21
3.5.2电机支架的设计 22
3.6联轴器的选用 23
3.7试验台底座设计 24
3.8试验台传感器的选用 24
3.7.1压电式传感器 25
3.7.2电涡流传感器 25
3.7.3速度传感器 26
3.7.4传感器选型 26
总 结 28
参考文献 29
致 谢 31
第1章 绪 论
1.1 引言
随着制造业的高速发展，动力机械制造水平的提高，越来越多的行业对于旋转机械设备的要求也日益提升。高质量、高精度、高平稳性早已不仅仅局限于低转速的旋转结构，机械设备对于高速度、高稳定性的旋转机构需求越来越高，如汽车工业混合动力汽车上的高速电机转子、磁悬浮轴承转子等。由于制造水平的限制，高速运动下的转子无法避免地会产生振动，此时如果转子的质量偏心过大，其所产生的振动将会非常剧烈，将会干扰机械设备的正常运行，产生大量噪声，与此同时轴承、轴零件的磨损也会因为机械的振动而大大加快，机械总体的使用寿命随之减少；此外，由于是高速甚至超高速运动部件，其不平衡振动严重时还会造成机械设备的疲劳损坏，产生更大的经济损失并对使用人员造成生命威胁。因此，转子的稳定工作成为这些机械设备正常运行的重要前提0。
影响转子运动精度和产生振动的因素有很多，其中转子质量不平衡、干扰作用频率和转子固有频率相同时引起的共振是影响转子工作稳定性和精度的两大重要因素。在理论学习过程中，对于转子不平衡配重、转子固有频率的辨识等的实验对于学生了解、学习转子动力学知识，掌握转子不平衡产生的原因，学习消除、降低转子不平衡振动的原理与方法有着重要作用。转子动力学模拟试验台的设计，就是为了满足教学实验室的需求。通过转子动力学试验台，可以让学生、研究人员在实验中探究转子在不同运转速度和多种重量不平衡条件下的运动特性，因而转子试验台日益成为一个十分重要的平台。现要对转子动力学实验平台进行结构设计，使其可以满足转子不平衡配重实验以及固有频率辨识实验。
1.2 国内外研究现状
1.2.1 转子动力学发展
工业革命从国外开始，因而国外机械制造业产生、发展较早，对于转子运动特点与不平衡问题的认识与研究也已经有很长时间。1869年英国物理学家Rankine发表的题为《论旋转轴的离心力》的论文是目前可以查到的最早的转子动力学方面的论文。然而由于19世纪机械理论尚处于初步理论成型阶段，无论是动力学理论还是制造技术都难以提供足够的支持，Rankine在论文中提出了转子只能在临界转速以下稳定运转这一错误观点。随着机械制造业和理论学说的快速发展，1895年Foppl在提出的Jeffcott模型中，指出在超临界运转时机械转子会产生自动定心现象，通过了临界转速的转子依靠自动定心现象依旧可以稳定地运转，这指出了Rankine的结论的不足之处；随着转子超临界运转的技术进步，Newkirk发现了油膜轴承是导致超临界转速下转子产生自激振动并失稳的原因，他的这一发现，使得稳定性成为转子动力学研究的重点内容；数值积分是一种非常简单的计算动力学方程的方法，可以用于油膜轴承-转子系统的研究，但这种方法不利于进行系统动力学内部的分岔以及稳定性分析的研究，对此，G.ADILETTA，A. R. GUIDO和C. ROSSI等人提出了改进的算法并提出了短轴承理论来解决轴承油膜的非线性问题0。近年来，国外转子动力学研究有多个分支方向，有转子动力学的设计、特性、平衡技术的分析研究，也有转子振动噪声的产生原因、消除方法的实验探讨，其范围越来越广，分支也越来越多0。
由于历史原因，国内对于转子动力学研究起步较晚，制造业基础薄弱，所以在前期研究中，重复的内容较多，且多是根据国外的理论研究或实验数据开展，缺乏自主创新性。但尽管我国转子动力学在前期的研究过程中，有着诸多这样或那样的问题，但研究的内容有着十分显著的进展。在转子系统状态的检测和故障诊断以及密封转子系统的振动、分岔和混沌等领域有了诸多成果00。
1.2.2 转子试验台发展现状
国外对于转子试验平台的研究开始的比较早，其中SCHENCK公司的产品比较成熟，其研制的DH2-DH13系列高速动平衡及超速试验台，其结构使用滑动轴承支撑，通过远程控制来改变支承的刚度；最高转速可以达到63000r/min，能够对转子超一、二阶转速情况下进行动力学实验；此外，其转子动力学实验在真空情况下进行，减少了空气因素对转子不平衡数据分析的影响。其转子试验台面向平台多为企业，DH2-DH13系列高速动平衡及超速试验台主要功能是检测生产的转子双面动不平衡，静不平衡或偶不平衡；也可以通过对加减速时间和测量时间的设定，实现自动测量循环。另外，该系列转子试验台还可以通过升级增加质量矫正系统，完成转子质量的矫正。
国内的转子试验台设计、生产起步较晚，但正值机械制造业快速发展时期，制造精度、质量大幅度提高，为国内转子试验台的生产提供了基础。浙江大学化工机械研究所高速旋转机械实验室受上海凯泉泵业集团委托，设计了HR10转子动力学试验台，该试验台主要面向平台为企业产品设计，对于提高国内相关试验台的创新研发能力、打破外国设备供应商的垄断有重要意义0。另外，近年来国内面向高校实验室的转子试验平台逐渐增多，如远东测振生产的ZHS-3型多功能转子试验系统、北京波谱世纪公司的WS-ZHT1多功能转子教学实验台、瓦伦尼安公司生产的PT700型机器振动与仿真实验台架等等，其功能大同小异，主要能够完成的实验是相同的：
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