压缩机故障模拟试验台结构设计毕业论文(编辑修改稿)

压缩机故障模拟试验台结构设计毕业论文(编辑修改稿)内容摘要：

越来越高，甚至达到了三、四阶临界以上，这为转子动力学的研究提出了一系列的研究课题，也有力地促进了转子动力学的发展。 新的交叉学科研究方向 旋转机械转子动力学从其诞生起就是一门涉及多个学科领域的综合学科。 早期的转子动力学研究包含了数学、理论力学、结构力学、稳定 性理论、流体动力润滑理论、摩擦学等学科，后来又涉及到气动力学、控制理论、弹性力学、计算力学、有限元方法、实验技术、信号采集与处理技术、非线性动力学、电磁学、流变学、新材料与智能材料等学科。 在今后的研究中有以下几个交叉研究领域应引起重视 [3]。 空间技术是 21 世纪我国重点发展的高新技术，包括载人飞船等一系列空间发展计划已进入实施阶段。 旋转机械在空间技术发展中也有着普遍的应用。 但在微重力环境下，转子动力学现有的许多理论和研究成果都受到了挑战，需要作很大的修正。 最起码所有与重力有关的结论都需要重新研究和评价，如在微重力环境下轴承的支承和润滑作用等。 为此需要结合微重力环境开展转子动力学的有关研究工作。 研究中应特别注意不仅是不考虑重力影响 , 而且还有许多本质性的变化，如轴承中润滑油的特性会因微重力而产生本质变化，其聚合作用会大大加强。 题 微机械的问世和发展对转子动力学提出了新的挑战，如上海交大研制成的 2 mm 微电机就为转子动力学的分析和实验带来了许多新问题。 一是理论建模和分析方法的适用性问题；二是新的驱动方式和轴承润滑问题；三是动态特性测试问题。 目前的测试手段和方法还无法应用于超微电机转子的动态特性分析，激光测试可能是目前唯一可行的方法。 因此加强对超微机械转子动力学的理论和实验研究是一个迫切的课题。 在旋转式人工心脏、人体微型 ―清道夫 ‖的研制和分子马达的研究中可能会遇到转子动力学的问题。 心脏间歇式压力、 血液和人体组织的影响等都会为转子动力学的研究提东北大学毕业设计（论文） 第 1 章 绪论 5 出新的问题。 转子动力学（ rotor dynamics）， 固体力学的分支。 主要研究转子 支承系统在旋转状态下的振动、平衡和稳定性问题，尤其是研究接近或超过临界转速运转状态下转子的横向振动问题。 转子是涡轮机、电机等旋转式机械中的主要旋转部件。 1869 年英国的 .兰金关于离心力的论文和 1889 年法国的 拉瓦尔关于挠性轴的试验是研究这一问题的先导。 [4]随着近代工业的发展，逐渐出现了高速细长转子。 由于它们常在挠性状态下工作， 所以其振动和稳定性问题就越发重要。 转子动力学的研究内容主要有以下 5个： （ 1）临界转速。 由于制造中的误差，转子各微段的质心一般对回转轴线有微小偏离。 转子旋转时，由上述偏离造成的离心力会使转子产生横向振动。 这种振动在某些转速上显得异常强烈，这些转速称为临界转速。 为确保机器在工作转速范围内不致发生共振，临界转速应适当偏离工作转速例如 10％以上。 临界转速同转子的弹性和质量分布等因素有关。 对于具有有限个集中质量的离散转动系统，临界转速的数目等于集中质量的个数；对于质量连续分布的弹性转动系统，临界转速有无穷多个。 计算大型转子支承系统临界转速最常用的数值方法为传递矩阵法。 其要点是：先把转子分成若干段，每段左右端 4个截面参数（挠度、挠角、弯矩、剪力）之间的关系可用该段的传递矩阵描述。 如此递推，可得系统左右两端面的截面参数间的总传递矩阵。 再由边界条件和固有振动时有非零解的条件，应用试凑法求得各阶临界转速，并随后求得相应的振型。 （ 2）通过临界转速的状态。 一般转子都是变速通过临界转速的，故通过临界转速的状态为不平稳状态。 它主要在两个方面不同于固定在临界转速上旋转时的平稳状态：一是振幅的极大值比平稳状态的小，且转速变 得愈快，振幅的极大值愈小；二是振幅的极大值不像平稳状态那样发生在临界转速上。 在不平稳状态下，转子上作用着变频干扰力，给分析带来困难。 求解这类问题须用数值计算或非线性振动理论中的渐近方法或用级数展开法。 （ 3）动力响应。 在转子的设计和运行中，常需知道在工作转速范围内，不平衡和其他激发因素引起的振动有多大，并把它作为转子工作状态优劣的一种度量。 计算这个问题多采用从临界转速算法引伸出来的算法。 （ 4）动平衡。 确定转子转动时转子的质心、中心主惯性轴对旋转轴线的偏离值产生东北大学毕业设计（论文） 第 1 章 绪论 6 的离心力和离心力偶的位置和大小并加 以消除的操作。 在进行刚性转子（转速远低于临界转速的转子）动平衡时，各微段的不平衡量引起的离心惯性力系可简化到任选的两个截面上去，在这两个面上作相应的校正（去重或配重）即可完成动平衡。 为找到两截面上不平衡量的方位和大小可使用动平衡机。 在进行挠性转子（超临界转速工作的转子）动平衡时，主要用振型法和影响系数法。 它们是转子动力学研究的重点。 （ 5）转子稳定性。 转子保持无横向振动的正常运转状态的性能。 若转子在运动状态下受微扰后能恢复原态，则这一运转状态是稳定的；否则是不稳定的。 转子的不稳定通常是指不存在或不考虑 周期性干扰下，转子受到微扰后产生强烈横向振动的情况。 转子稳定性问题的主要研究对象是油膜轴承。 油膜对轴颈的作用力是导致轴颈乃至转子失稳的因素。 该作用力可用流体力学的公式求出，也可通过实验得出。 一般是通过线性化方法，将作用力表示为轴颈径向位移和径向速度的线性函数，从而求出转子开始进入不稳定状态的转速 ——门限转速。 导致失稳的还有材料的内摩擦和干摩擦，转子的弯曲刚度或质量分布在二正交方向不同，转子与内部流体或与外界流体的相互作用等等。 （ 1）低水平重复研究较多，跟随 研究较多，缺乏创新性。 （ 2）研究的范围较窄，有些领域几乎还是空白。 我国目前在密封动力学、航空发动机转子动力学、磁轴承等方面的研究离世界水平还有较大差距，而在全尺寸转子动力学的实验研究方面的差距更大。 另外研究中存在理论研究的深度不够、数值分析的转子系统模型过于简单等问题。 这需要引起有关立项单位和专家学者的重视。 （ 3）理论成果指导应用不够，实验研究水平低。 我国目前在转子动力学的实验研究方面水平普遍较低，且实验越来越少。 验证理论大多是用数值仿真计算，有些研究结论离实际应用的距离很大。 用理论研究成果 真正解决重大工程问题的还比较少。 今后应加强理论和实验的对比研究，提高实验研究水平，加大实际应用性质的研究力度。 （ 4）研究队伍老化，高水平的研究群体不多。 目前我国转子动力学领域挑重任的还是几位老专家。 尽管多年来已经培养了一大批从事转子动力学研究的硕士和博士，但这些年轻学者目前大多数在国外，许多也改行了。 这一青黄不接的现象在航空发动机等国防研究领域尤为突出。 因此培养能稳定地从事转子动力学研究的青年学者是当务之急。 此外应加强对航空发动机等国防工业转子动力学基础研究的支持力度。 （ 5）缺乏高水平的实用 的分析和监测系统。 尽管我国学者在转子动力学的基础研究东北大学毕业设计（论文） 第 1 章 绪论 7 方面取得了很多成果，且也研制了一些用于生产实际的转子动力学分析和监测、诊断系统，但在我国工业界占主导地位的仍是国外的产品。 故尽快研制和推广高水平的国产转子动力学分析和监测、诊断系统是有关专家学者义不容辞的职责。 虽然存在上述问题，但我国转子动力学研究的成果是显著的，对国民经济建设的贡献是相当大的，在多个领域也取得了世界先进或领先的地位。 相信今后会做出更大的贡献 [5]。 本次研究的对象为转子动力试验台。 为详细了解实验台的静动态特性，全面掌握起特性，从而展开设备监测诊断工作，所以主要工作分为以下几个方面： (1) 使用 SolidWorks 对压缩机故障模拟试验台 部分零部件 进行三维建模 ，重点完成对碰摩装置的改进设计，完成碰摩装置零部件的三维建模和装配，熟悉压缩机故障模拟实验台的装配过程； (2) 采用 CAXA 二维画图软件， 完成 对 压缩机故障模拟试验台部分零部件的 CAXA出图 ； (3) 采用 ANSYS 软件 对 压缩机故障模拟试验台转子系统 进行静强度分析 ，对转子系统进行有限元网格划分，分为 对转子系统只施加自重与施加自重和转速两种情况，分别对其进行静强度分析，计算转子系统最大应力发生的部位及其大小； (4) 使用 ANSYS 软件对压缩机故障模拟试验台转子系统进行模态分析，分别对转子系统只施加自重与施加自重和转速两种情况，对其进行模态分析，计算转子系统的固有频率，分析转子系统的各阶振型。 东北大学毕业设计（论文） 第 2 章 压缩机故障模拟试验台的设计 9 第 2章 压缩机故障模拟实验台的设计 压缩机故障模拟实验台的设计目的是模拟工程中旋转机械转子的运动。 实验台的转子由质量相对较轻的弹性轴和装在弹性轴中间位置的圆盘构成，两端由不变形的轴承及轴承座支承。 根据这种模型进行分析的概念和结论在转子动力学中是最基本的。 这种模型得到的结论应用于简单旋转机械足够准确。 就是对于复杂的旋转机械，这些概念和结论虽然不够精确，但仍能定性地说明问题。 采用这种基本的结构能够减小其它因素对转子运行的影响从而突出碰摩故障 [6]。 压缩机故障模拟实验台整体设计 压缩机故障模拟实验台整体结构如图 和图 所示 (标号 111 表示压缩机故障模拟试验台各主要部件） 图 压缩机故障模拟实验台效果图 1 3 4 5 6 2 8 7 9 10 11 东北大学毕业设计（论文） 第 2 章 压缩机故障模拟试验台的设计 10 图 压缩机故障模拟实验台 压缩机故障模拟试验台结构组成 1 压缩机故障模拟试验台电机 (图 ) 图 压缩机故障模拟实验台电机 为了研究转子在不同转速下的碰摩情况，实验过程中需要连续可调的较高转速。 本实验台选择 高速电主轴，其主要优点：电主轴具有结构紧凑、重量轻、惯性小、振动小、噪声低、响应快等优点，而且转速高、功率大，简化机床设计，是高速主轴单元中的一种理想结构。 工作转速 3000－ 15000r/min；变频器调速， 0－ 3000 r/min 转速范围为恒转矩调速，额定转矩为 ； 3000－ 15000r/min 转速范围为恒功率调速，额定输出功率为 30KW。 工作条件； 常温、常湿、洁净。 高速电机可通过变频器进行无级调速，并具有紧急停机刹车功能。 2 锥轴 东北大学毕业设计（论文） 第 2 章 压缩机故障模拟试验台的设计 11 压缩机故障模拟实验台的锥轴在电机的带动下高速旋转，转子 的微小偏心都会引起很大的离心力，而且在碰摩时还会承受冲击载荷。 为防止锥轴变形并保证其有较高的精度，要求锥轴具有足够的强度、冲击韧性和抗疲劳能力。 这里锥轴选用了调质处理的40Cr，该材料强度比碳钢高约 20％且疲劳强度较高。 在转子实验台运转的过程中，转子会受到偏心质量引起的离心力和碰摩时的冲击载荷。 如果转轴的强度不够，会使转轴发生永久性变形，从而使实验台报废；而且由于转子的转速很高，如果其强度得不到保证会对实验人员造成安全隐患 [7]。 3 联轴器 （图 ） 图 联轴器 用以连接电机轴与锥轴 ，传递转矩。 4 轴承座 （图 ） 图 轴承座 共两个轴承座，一个只推轴承，一个为径向轴承，压缩机故障模拟实验台使用滑动轴承，滑动轴承在结构上，滑动轴承是靠平滑的面来支撑转动轴的，因而接触部位是一个面。 其次滑动轴承的运动方式是滑动。 滑动轴承工作平稳、可靠、无噪声。 在液体润滑条件下，滑动表面被润滑油分开而不发生直接接触，还可以大大减小摩擦损失和表面磨损，油膜还具有一定的吸振能力。 但起动摩擦阻力较大。 滑动轴承能够在高转速运行，并且能够承受大的冲击和振动载荷。 为使结构简单，滑动轴承没有密封。 但这样会使轴承容易磨损，因此轴承用耐磨性较好的铜合金制造，并在轴承和轴承座的顶部开设油孔东北大学毕业设计（论文） 第 2 章 压缩机故障模拟试验台的设计 12 以便能随时加入润滑油进行润滑。 5 碰摩装置 此次设计为完整模拟转定子碰摩全过程，采用整周碰摩装置模拟局部碰摩 ， 将定子内表面设计成圆柱形，使用丝杆传动改变定转子之间的间隙调整碰。