齿轮增速离心泵转子系统非线性振动特性研究

作     者：周安民 

作者单位：浙江理工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：朱祖超;陶仁和

授予年度：2021年

学科分类：080704[工学-流体机械及工程] 08[工学] 0807[工学-动力工程及工程热物理] 

主      题：离心泵 齿轮-转子-密封-轴承(GRSB)系统 弯-扭耦合 振动特性 轮齿啮合力 传动比 

摘      要：离心泵是流程化工、航空航天、发电和流体输送等行业的关键性设备,其安全性、可靠性与运作的持续性关系到国防建设、国民经济和社会生活的各个方面。随着科学技术的不断进步和日益增长的国防和工业建设需求,离心泵逐渐朝着高转速、大功率和重载的方向发展,这对离心泵的稳定运行、机械效率和减振降噪等方面提出更高的要求。离心泵可以通过齿轮增速效果达到较高的转速,作为动力传递系统中振动噪声等问题的主要来源之一,齿轮系统在运转过程中会产生的剧烈振动,因此,齿轮副的引入对离心泵的稳定性和可靠性提出巨大的挑战。本文通过集中质量法,将齿轮增速离心泵转子系统简化成齿轮-转子-密封-轴承(gear-rotor-seal-beaing,GRSB)系统,并采用位移平衡原理与拉格朗日方程推导了转子系统的弯-扭耦合动力学方程,进而对GRSB系统的非线性振动特性进行分析。本文的主要研究内容如下:(1)在充分考虑系统的偏心质量、轮齿的动态啮合激励、非线性轴承力、非线性密封激励以及动态扭矩激励,得到了GRSB系统的18自由度动力学微分方程,通过四阶龙格-库塔法对方程进行求解计算,并探讨边界条件的设置。(2)基于系统响应的时变性,考虑轮齿的加工误差、磨损以及运动耦合,推导了齿侧间隙的定常、波动以及耦合侧隙函数,分析了不同侧隙函数模型和侧隙斜率α下GRSB系统的动力特性响应。结果表明,相同工况下,波动侧隙下系统的稳定性最差,同时,齿轮在径向方向的运动耦合在一定程度上能够抑制波动侧隙的非线性特性;此外,侧隙斜率越小,系统的非线性特性越明显,当侧隙斜率为0时,齿轮出现了“单边冲击的现象。(3)分析不同形式的啮合刚度激励下GRSB系统的动力特性,比较了不同展开阶数下时变刚度之间轮齿啮合力F与振动响应,结果表明,定刚度与时变刚度下系统的响应存在明显的区别,同时,不同展开阶数下的时变刚度下轮齿啮合力有较为明显的区别,但是系统的响应基本一致;此外,对不同密封间隙c、密封长度L、密封半径R以及进出口压差D下系统的振动响应进行求解,得到转子的振动特性变化规律。(4)求解齿轮副可变中心矩以及固定中心矩下不同传动比对GRSB系统的稳定性和振动特性响应的影响。并通过混沌分岔理论、时频域分析以及庞加莱映射分析不同传动比下GRSB系统下的运动状态。