流體動(dòng)態(tài)軸承主軸和轉(zhuǎn)軸設(shè)計(jì)的振動(dòng)分析
Thitima Jintanawan, I. Y. Shen, and Katsuhiko Tanaka

摘要----本文提出流體動(dòng)態(tài)軸承（FDB）主軸和轉(zhuǎn)軸設(shè)計(jì)在理論和實(shí)驗(yàn)上的振動(dòng)分析。在理論上的分析，用一個(gè)成熟的數(shù)學(xué)模型預(yù)測半速旋轉(zhuǎn)，擺動(dòng)模式，頻率響應(yīng)函數(shù)和振動(dòng)響應(yīng)。在實(shí)驗(yàn)方面的研究，在各種旋轉(zhuǎn)速度下測試FDB主軸和復(fù)合的輪盤。用獲得的頻率響應(yīng)函數(shù)（FRF）驗(yàn)證數(shù)學(xué)模型。理論研究結(jié)果和實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果在頻率和共振振幅上都很符合。
一 、介紹
流體動(dòng)態(tài)軸承（FDB）主軸用在輪盤行業(yè)，因?yàn)榱黧w動(dòng)態(tài)軸承（FDB）主軸有比較大的阻尼和比較低的噪聲。主軸設(shè)計(jì)有兩種類型：定軸設(shè)計(jì)和轉(zhuǎn)軸設(shè)計(jì)。定軸設(shè)計(jì)如圖1所示，包括帶有輪盤的轉(zhuǎn)子，它通過任一個(gè)球軸承安裝在定子上。這種設(shè)計(jì)被廣泛的用在球軸承主軸上，這種數(shù)學(xué)模型是有效的[1][2]。盡管這種設(shè)計(jì)也被用在流體動(dòng)態(tài)軸承（FDB）主軸[3]上，但是它卻很困難而且很昂貴。更全適的設(shè)計(jì)是轉(zhuǎn)軸設(shè)計(jì)，由圖2可以看出，轉(zhuǎn)軸和帶有輪盤的轉(zhuǎn)子被壓入固定的軸承套和基底彈簧片（定子），這種設(shè)計(jì)使用的元件比較少，軸承潤滑漏油的可能性也降低了。所以這種設(shè)計(jì)在流體動(dòng)態(tài)軸承（FDB）主軸中更有優(yōu)勢。然而，這種設(shè)計(jì)模型也更復(fù)雜，因?yàn)檩S是轉(zhuǎn)動(dòng)、振動(dòng)、搖擺的，同時(shí)它還有輪轂和輪盤。因?yàn)閿?shù)學(xué)模型是不可獲得的，所以設(shè)計(jì)為員不能準(zhǔn)確的比較和評估這兩種設(shè)計(jì)的振動(dòng)性能。
本文的目的是說明流體動(dòng)態(tài)軸承（FDB）主軸系統(tǒng)和轉(zhuǎn)軸設(shè)計(jì)在理論和實(shí)驗(yàn)上的振動(dòng)分析。開發(fā)數(shù)學(xué)模型是用來預(yù)測系統(tǒng)的自由和強(qiáng)迫振動(dòng)。轉(zhuǎn)軸主軸[4]的自由振動(dòng)分析表明在輪轂軸接口的輪轂變形在轉(zhuǎn)軸設(shè)計(jì)中是關(guān)鍵的，因?yàn)樗闹匾呢?fù)荷是傳輸。輪轂變形建?？梢蕴岣哳A(yù)測振動(dòng)頻率性能的30%。更深一層的研究，本文的焦點(diǎn)在流體動(dòng)態(tài)軸承（FDB）主軸和轉(zhuǎn)軸設(shè)計(jì)的強(qiáng)迫振動(dòng)分析。頻率響應(yīng)函數(shù)（FRF）預(yù)測和比較實(shí)驗(yàn)結(jié)果，用以驗(yàn)證數(shù)學(xué)模型。
二、數(shù)學(xué)模型
這個(gè)部分的要點(diǎn)是數(shù)學(xué)模型的重要的假設(shè)，變量和公式。由于篇幅的限制，本文不介紹模型的詳細(xì)推導(dǎo)過程。感興趣的讀者可以參考[4][5]。
圖2表示了輪盤心軸系統(tǒng)和轉(zhuǎn)軸的設(shè)計(jì)。系統(tǒng)包括幾個(gè)圓形的橡皮圈固定在可變形的輪轂，允許微小的剛體移動(dòng)和擺動(dòng)。另外，輪轂裝配在旋轉(zhuǎn)的彈性的軸