新型金属橡胶与圆锥动静压轴承组合支承高速转子系统动力特性及试验研究

Aiming at the high-order oil-film instability problems in sliding bearings with high speed, a high speed rotor system supported by a new metal rubber (MR) elastic damping structure combined with the conical hybrid bearing is proposed. The damping vibration suppression mechanism of MR is studied when the system appears the second order oil-film instability at a speed over the second order critical speed. Because of the existence of two-dimensional loading, the MR dynamic parameter model needs to be built with consideration of the mechanical coupling properties of MR unit at forming and deforming direction in microstructure perspective. Owing to the restrictions such as the MR manufacturing process, the parameters of MR model are uncertain. the influence of these parameters on the uncertainty of kinetic parameters is analyzed to build the uncertain model of MR dynamic parameters. A hydrodynamic lubrication equation with consideration of axial flow, turbulent, gas-liquid two phase flow and thermal effect is proposed to investigate the effects of those aspects on the oil film properties and the dynamic stability of the system. Based on the comparison between the output energy of rigid and combined supports, a performance index γ is set for H∞, with which the criteria is proposed to assess the vibration and to discriminate the system stability, thus the theoretical reference for the dynamic analysis and design of the combined support system is provided.

针对高转速下滑动轴承易出现高阶油膜失稳的问题，提出新型金属橡胶支承结构作为弹性阻尼支承，与圆锥动静压轴承构成组合支承高速转子系统。研究该系统在超二阶临界转速以上工作出现二阶油膜失稳时的金属橡胶干摩擦阻尼抑振机理；基于该系统存在二维载荷作用，从微观角度揭示金属橡胶力学单元体压力成型和非成型方向力学耦合特性，构建计及该特性的金属橡胶动力学参数模型；受金属橡胶制造工艺等因素制约，金属橡胶模型参数存在不确定性，拟阐明金属橡胶工艺参数对其动力学参数不确定性的影响规律，建立金属橡胶动力学参数不确定性模型；考虑油膜轴向流动、紊流、气液两相流及热效应等因素，建立组合支承的油膜润滑方程，探求上述因素对油膜力特性及系统动力稳定性的影响规律；基于刚性支承和组合支承的输出能量对比，设定H∞控制性能指标 γ，在此 γ 意义下提出振动效果评估指标及动力稳定性判别准则，为该组合支承动力学分析及设计提供理论依据。

在机械、能源、航空航天等工程技术领域，高速旋转机械的应用愈加广泛，其转子系统的动力特性直接影响着整机的性能，针对油膜轴承支承的转子系统，本项目提出了新型金属橡胶和圆锥滑动轴承组合支承形式改善系统动力特性，并对此开展了以下几个方面的研究：. (1)设计了新型金属橡胶与圆锥滑动轴承组合支承阻尼减振器。通过改变金属橡胶个数定量调节阻尼器在轴向与径向的刚度与阻尼系数，更好地改善了高速转子的系统动力特性；(2)建立了金属橡胶成型和非成型方向二维模型。通过实验和理论分析得到了金属橡胶单元体非成型和成型方向的迟滞恢复应力表达式，基于此单元体模型，推导了金属橡胶径向和轴向动力学参数计算的数学表达式；(3)基于SAMCEF对高速转子系统进行了动力特性计算和分析。分析了Jeffcott转子系统在一维和三维有限元模型分析了转子前两阶正进动与反进动的模态振型图，分析了对应的临界转速下的模态振型；(4)研究了轴承的支承刚度与阻尼对转子系统临界转速的影响。理论分析了新型组合支承刚度和阻尼对高速转子系统的临界转速和模态振型的影响，随着转子系统的阻尼值不断增大，高速转子系统的前两阶临界转速是基本不变的，正交阻尼Cxx，Cyy对该高速系统临界转速影响微小；(5)开展了新型金属橡胶与圆锥滑动轴承组合支承高速转子系统动力特性试验研究。构建了新型金属橡胶与圆锥滑动轴承组合支承高速转子系统，开展了其动力特性研究，研究表明，新型阻尼支承系统对能有效抑制系统过临界转速的振动，并对油膜振荡有明显的抑制作用，实验结果与有限元分析结果吻合的比较好，验证了理论分析的准确性。振动峰值由130.79μm降至113.88μm，下降12.93%，验证了新型金属阻尼器对转子系统具有良好的减振性能，能有效扩展转子系统的稳定区域，改善了其动力性能。本项目的研究对油膜支承的高速转子系统阻尼减振技术提供了新的方案，具有重要的理论和实验参考意义。