多平行轴齿轮—轴承—转子系统耦合振动的有限元分析

【摘要】：本文主要研究多平行轴齿轮-轴承-转子系统的动力学行为及其应用。全文共分以下几个部分： (1)研究齿轮-轴承-转子系统有限元分析模型的建立、动力方程及其求解。在这一部分中，将齿轮-轴承-转子系统划分成不同的有限元单元类型，分析了不同单元类型的特点、选取和创建；推导了有限元动力方程；给出了根据有限元动力方程求解齿轮-轴承-转子系统振动模态和强迫振动响应的方法。 (2)创建两平行轴齿轮-轴承-转子系统有限元三维实体计算模型。利用该计算模型分析了直齿轮转子系统和斜齿轮转子系统动力学行为的不同点和相同点，模拟出了两个齿轮-轴承-转子系统的动态振动过程，计算结果表明：在该结构参数下，齿轮螺旋角对耦合新频率有较大影响，在计算中必须考虑斜齿轮螺旋角对耦合齿轮转子系统动力学行为的影响；还利用该模型分析了参考文献[19]中的算例，不仅得出了与其相近的计算结果，还模拟出了各阶模态的动态振动过程。 (3)以一个实际的DH型压缩机组中的转子系统为例，创建了其三维实体计算模型，计算了其在刚性支承下的振动模态，模拟了各阶模态的动态仿真过程，对耦合和非耦合情况下的振动模态进行了比较和分析，计算结果表明：通过齿轮副耦合而产生的系统耦合新频率的振型比较复杂。 (4)设计和制造了耦合振动测试实验台，利用精密的测试仪器对实验台的振动模态进行实际测试和分析，建立了实验台的 1 999年上海大学博士学位论文 有限元计算模型并进行计算，计算结果和实测值具有较好的一 致性。 (5)理论的工程应用。以实际DH型压缩机组的一对齿轮- 轴承一转子系统为例，建立了由实体单元和线形单元组成的混 合有限元计算模型，减少了计算模型所需的节点数，提高了计 算速度。利用该计算模型分析了祸合及不平衡分布对系统振动 响应的影响，得出如下结论:经过动平衡的单个齿轮转子系统， 在祸合的情况下，也会产生不平衡响应，因此，在设计时应考 虑祸合情况下整个系统的不平衡响应。建立了由创建的轴承支 承单元(包括滚动轴承和滑动轴承)、齿轮副祸合单元、梁单元和 集中质量单元组成的有限元计算模型，研究了啮合刚度、转速、 轴承的宽径比和间隙比对系统动力学行为的影响，得出如下结 论:通过适当增大齿轮的法面模数、螺旋角和齿宽与全齿高的 比，可以改善齿轮转子系统的动力学特性;在本文算例中，对 于可倾瓦轴承，适当提高宽径比、适当减小间隙比可以提高临 界转速，改善系统稳定性;对于圆轴承，随着间隙比的提高， 可以提高系统的临界转速并有改善系统稳定性的趋势，而提高 圆轴承的宽径比使临界转速降低并有使系统稳定性变差的趋 势.分析了一个实际的DH机组的齿轮转子系统，对其在空载 和工作情况下的动力学特性进行了分析。 (6)建立了可以计人推力轴承影响的齿轮转子系统有限元计 算模型，并给出了一个使用该模型的算例。