高速旋转实验机卧式安装连接方式分析

　　引言

　　引信等部件在高加速度加载条件下容易出现应力集中等故障而引起功能失效,因此必须对其高加载条件下的动态特性进行实验分析。采用高度旋转产生的向心加速度实现引信高加速度模拟实验技术的超高速旋转实验机,为了达到10万个G(重力加速度)的实验能力,转速将达到50000r/min以上,考虑到其特殊的工作条件,就必须合理的选择其传动链连接方式。

　　1　连接方式特点分析

　　传动系统的连接形式包括刚性连接和柔性连接两种,所谓刚性是指在传动链中无弹性连接器,工作状态下传动链的所有部件必须具有完全相同的瞬时转速,否则就是柔性连接。不同连接的形式会影响系统的结构响应,必须根据系统的实际运行情况选择合理的连接形式。

　　如果选用刚性连接构成传动链,则系统的结构比较简单,易于进行动平衡和转速控制;由于系统的刚性比较强,抵抗不平衡量偏心的能力比较强,且传动系统具有很高的固有频率,可以有效的避免在工作转速以下发生共振现象。

　　如果选用柔性连接,通过弹性联轴器传递给旋转机械,这样就相当于在旋转机械和动力输出轴之间安装了旋转隔振器,能够有效的减少外部冲击对旋转设备的作用。

　　2　柔性连接动力学模型的建立

　　为了说明两种连接方式的区别,将旋转实验机的实体模型简化为图1所示的简化模型,图中J3,M3代表实验对象和实验托盘的转动惯量和工作阻力矩,J2,M2,K2,C2代表扭转刚度和扭转阻尼系数,J1,M1代表电主轴的转动惯量和工作驱动力矩。

　　系统的动力学方程为

　　式中

　　J1,M1———工作部分的转动惯量和阻力矩

　　J2,M2———驱动部分的转动惯量和动力矩

　　θ1,θ2———工作部分和电动机转动部分的转动角

　　m,e———转子的质量和偏心矩

　　cθ———柔性联接部分的扭转阻尼系数

　　kθ———柔性联接部分的扭转刚度

　　g———重力加速度

　　把方程式(1)的第2式与第1式相减得

　　由于柔性联轴器的存在,使得驱动部分和被驱动部分的转动有一个转角差φ,即

　　由此得

　　将式(3)、式(4)代入式(2)可得

　　3　超临界条件下柔性连接动力学响应特性分析

　　如果超临界阻尼的情况下,即4kθ2-8J2kθ>0,则

　　式中

　　将条件φ(0)=0和φ·(0)=0代入上式后可得

　　由式(6)可得,转角差随时间的变化曲线如图2所示。

　　从图2可以看出,转角差在开始极短的时间内增大后,立即稳定在一小幅值的简谐振动状态,稳定后的振动频率与转子的旋转频率相同。如果在高速旋转的情况下,保持其他系数不变,改变cθ,转角差的变化曲线如图3所示。