帶有非線性聯(lián)軸器軸系的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)計(jì)算實(shí)例
6-1引言
本章將通過一個(gè)實(shí)例,用SSGILM法計(jì)算帶有非線性聯(lián)軸器軸系的強(qiáng)迫振動(dòng)穩(wěn)態(tài)響應(yīng),目的有三:一是驗(yàn)證SSGILM法的有效性;二是考察聯(lián)軸器對(duì)軸系振動(dòng)特性的影響;三是為下一章試驗(yàn)研究做準(zhǔn)備。
6-2 轉(zhuǎn)子軸系力學(xué)模型與運(yùn)動(dòng)微分方程的建立
本章研究的對(duì)象為一個(gè)置于外伸軸中的單圓盤轉(zhuǎn)子軸系,如圖6-1所示。
圓盤2安裝在轉(zhuǎn)軸兩支承1的中間位置,軸3一端由具有非線特性的聯(lián)軸器4與電動(dòng)機(jī)5聯(lián)結(jié)。轉(zhuǎn)軸的兩個(gè)支承1中的軸承為雙列向心球面球軸承,軸可以在軸承內(nèi)自由偏轉(zhuǎn)。圓盤靠軸套與軸相聯(lián),由于軸套有一定的長度和直徑,它對(duì)轉(zhuǎn)軸柔度及剛度均有影響,但影響有多大,有待實(shí)際計(jì)算中考察,故在此先視轉(zhuǎn)軸為一變截面(階梯)細(xì)長軸。同時(shí)考慮轉(zhuǎn)軸質(zhì)量對(duì)軸系固有頻率的影響。根據(jù)第五章建立軸系力學(xué)模型的原則,可以將圖6-1所示軸系處理成為兩個(gè)自由度系統(tǒng),然后根據(jù)第五章的式(5-4)、(5-5)可以寫出轉(zhuǎn)子軸系的振動(dòng)微分方程式:
式中的r11,r12,r21,r22為轉(zhuǎn)軸的柔度系數(shù),計(jì)算公式見附錄1。
y
c為圓盤在y軸方向的位移,
=dy
c/dt,
=d
2y
c/dt
2,分雖為圓盤在y軸方向的速度和加速度,y
b,
=dy
b/dt,
= d
2y
b/dt
2,分別為聯(lián)軸器從動(dòng)端質(zhì)量塊m
b在y軸方向的位移、速度和加速度。k
11,k
12,k
21,k
22分別為轉(zhuǎn)軸的阻尼系數(shù),c
c,c
b,c
12,c
21為轉(zhuǎn)軸的阻尼系數(shù),Q為聯(lián)軸器恢復(fù)力。M
c=m
c+m
s,m
s為轉(zhuǎn)軸及軸套的質(zhì)量,m
c為圓盤的質(zhì)量,ω為轉(zhuǎn)軸的角速度。
6-3 應(yīng)用SSGILM法計(jì)算轉(zhuǎn)子軸系的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)
按第五章提出的SSGILM法及求解步驟,編制了求解轉(zhuǎn)子軸系穩(wěn)態(tài)響應(yīng)的大型計(jì)算機(jī)軟件,并在386徽機(jī)上得到實(shí)現(xiàn)。
計(jì)算所用的各數(shù)據(jù)(見附錄圖1)為:
l=1325mm,l2=45mm,l1=(l-2l2)/2mm,l=30mm
Mc=36.4kg e=0.55mm a=150mm cc=cb=0.001
{a}的初始值任意取為(N=8):
表6-1 {a}初值表
a0 |
|
a1 |
|
a2 |
|
a3 |
|
a4 |
|
0.0 |
|
0.5 |
0.3 |
0.4 |
0.2 |
0.1 |
0.1 |
0.08 |
0.07 |
a5 |
|
a6 |
|
a7 |
|
a8 |
|
|
|
0.06 |
0.05 |
0.04 |
0.03 |
0.02 |
0.01 |
0.009 |
0.0 |
|
|
6-4 理論計(jì)算結(jié)果分析
將計(jì)算所得數(shù)據(jù)畫成曲線,如圖6-2(a)-(b)。圖中A表示幅值,
表示位移
的幅值,
表示軸系振動(dòng)力同分方程形式(6-1)第一式中等號(hào)右邊恢復(fù)力產(chǎn)生的位移
的幅值,
表示式(6-1)第一式中等號(hào)右邊圓盤質(zhì)量偏心力激勵(lì)作用下產(chǎn)生的位移
幅值。
從圖6-2(a)可以知道軸系在圓盤質(zhì)量偏心力激勵(lì)作用下,圓盤在y方向的振動(dòng)位移幅值
從1赫茲開始隨著頻率的增加而有微量減小直至7赫茲,在此之后,位移幅值隨頻率增大而迅速增大直至軸第的一個(gè)固有頻率15.56云、赫茲處,然后位移幅值隨頻率增大而減小并趨于某一定值。由第五章中的式(5-4)、(5-6)、(5-11)、(5-12)以及本章中的式(6-1)第一式可知,圓盤的振動(dòng)位移 是由兩部分激勵(lì)力激勵(lì)產(chǎn)生的,一部分是M
cω
2ecosωt激勵(lì)力,它產(chǎn)生振動(dòng)位移
,另一部分是(-k
12y
b-c
12 )恢復(fù)力激勵(lì),它產(chǎn)生振動(dòng)位移
,因此圓盤的振動(dòng)位移
。
從圖6-2(b)可以知道,聯(lián)軸器從動(dòng)端質(zhì)量塊m
b的位移幅值
從1赫茲開始隨頻率增大而迅速增大直至軸系的一階固有頻率15.2赫茲,然后隨頻率增大而迅速減小,在一階固有頻率處達(dá)到最大值。
位移幅值
隨頻率變化的規(guī)律可以從圖6-2(c)看到。
從1赫茲開始隨頻率增大而增大,在軸系的一階固有頻率處達(dá)到最大值,然后隨頻率增大而減小直至趨于零。
隨頻率的變化規(guī)律反映聯(lián)軸器對(duì)圓盤振動(dòng)位移幅值
的影響部分。
的幅頻特性如圖6-2(d)所示。
從1赫茲開始隨頻率的增大而迅速增大,在軸系的二階固有頻率15.56赫茲處達(dá)到最大值,然后隨頻率增大而減小并趨于某一定值,
隨頻率變化的規(guī)律反映圓盤僅在質(zhì)量偏心激勵(lì)下,而軸系沒有鋼絲繩聯(lián)軸器影響時(shí)圓盤的幅頻特性。考慮上聯(lián)軸器對(duì)圓盤幅頻特性的影響部分
(圖6-2(c)所示部分),則圓盤的幅頻特性即為圖6-2(a)所示。由此可見,鋼絲繩聯(lián)軸器在頻率的較低段(0~11赫茲)對(duì)圓盤振動(dòng)有抑制作用。值得一提的是
不是
和
的簡單相加,而與各頻率對(duì)應(yīng)的向量{a}中17個(gè)元素以及相位有關(guān)。
為了比較各幅頻曲線的相對(duì)大小以及討論鋼絲繩聯(lián)軸器對(duì)軸系振動(dòng)特性的影響,畫出各幅頻曲線相對(duì)大小的比圖如圖6-3(a)~(b)所示。
從圖6-3(a)可知,聯(lián)軸器從動(dòng)端質(zhì)量塊m
b的振幅
(慮線)相對(duì)圓盤振幅
(實(shí)線)來說是很小的。它們各自在一、二階固有頻率處達(dá)最大值。
圖6-3(b)表示圓盤振幅
(實(shí)線)與聯(lián)軸器引起的圓盤振幅分量
(慮線)的相對(duì)大小比較圖。圖6-3(c)表示圓盤振幅
(實(shí)線)與圓盤質(zhì)量偏心引起的圓盤振幅分量
(虛線)的相對(duì)大小比較圖。圖6-3(d)展示了聯(lián)軸器引起死回生圓盤振幅分量
(實(shí)線)與聯(lián)軸器振幅
(慮線)的比較圖。從圖6-3(b)、(c)可知,圓盤偏心質(zhì)量引起的圓盤振動(dòng)位移分量
的幅值
(虛線)。從這兩圖中曲線的比較還可以知道,鋼絲繩聯(lián)軸器對(duì)圓盤振幅的影響在不同頻率段效果是不相同的?偟膩碚f,在頻率12.7~18.3赫茲區(qū)域外,聯(lián)軸器對(duì)圓盤振動(dòng)是起減振作用的,這一特性可以從圖6-1(c)清楚地看到。但在此頻率范圍內(nèi),聯(lián)軸器對(duì)圓盤振動(dòng)是增大作用的。
從圖6-4各幅頻曲線的合圖,可以清楚地看到,聯(lián)軸器從動(dòng)端質(zhì)量塊m
b的振動(dòng)位移幅值
和聯(lián)軸器在圓盤上引起的圓盤振動(dòng)位移分量
的最大值均出現(xiàn)在軸系一階固有頻率處,而圓盤振動(dòng)位移幅值
和圓盤質(zhì)量偏心引起的圓盤振動(dòng)位移幅值分量
的最大值均出現(xiàn)在軸系二階固有頻率處,兩個(gè)固有頻率相距較近。
6-5 小結(jié)
經(jīng)過以上實(shí)例計(jì)算和結(jié)果分析可以得出以下結(jié)論:
1.用SSGILM法編制的程序從任選的初始值{a(0)}開始進(jìn)行逼近搜索迭代計(jì)算,計(jì)算結(jié)果表明SSGILM法明顯地改變了LM法對(duì)初始值要求高的缺點(diǎn),從任意給定的初始值麥{a(0)}開始自動(dòng)逼近搜索,可以很快地收斂于滿足精度的{a}值。
2.鋼絲繩聯(lián)軸器對(duì)圓盤振動(dòng)的影響,在不同的頻率段有不同的效果,在軸系固有頻率附近區(qū)域內(nèi),鋼絲繩聯(lián)軸器使圓盤振動(dòng)位移幅值增大,而在軸系固有頻率附近區(qū)域外。聯(lián)抽器對(duì)圓盤振動(dòng)具有抑制作用。
3.在整個(gè)計(jì)算頻帶,聯(lián)袖器振動(dòng)位移幅值相對(duì)于圓盆振動(dòng)位移幅值米說很小。
4.SSGILM法能夠計(jì)算出枯系的一階固有頻率(對(duì)應(yīng)于聯(lián)袖器),彌補(bǔ)了多自由度非線性系統(tǒng)不能顯式計(jì)算(對(duì)應(yīng)于聯(lián)軸器的)固有頻率的不足。