角接触球轴承支承飞轮转子的非线性动力传递特性研究

【作者】 韩勤锴； 褚福磊；

【机构】 清华大学机械系；

【摘要】 以动量轮、反作用轮为代表的飞轮转子系统(flywheel rotor system, FRS),是航天器姿态控制的惯性执行部件。由角接触滚动轴承(angular contact ball bearing, ACBB)支承的飞轮转子系统,是航天器在轨微振动的主要激励源,其动力学特性是影响平台姿态稳定度和指向精度的关键因素。建立ACBB支承的FRS动态模型,研究系统非线性动力传递特性,有助于设计合理的隔振系统,以降低FRS动态响应向航天器平台的传递。在传统的FRS动态模型中,通常采用线性弹簧和阻尼器模拟ACBB的支承作用。由于赫兹接触、轴承径向游隙、预加载条件等因素,使得ACBB的刚度特性是非线性时变的。线性处理方法显然过于理想。在以往动态力传递特性研究中,通常考虑的是线性转子系统。随着研究的深入,陆续有学者开始关注支承阻尼非线性(例如金属橡胶阻尼、粘弹性阻尼等)以及由轴承局部缺陷引起的刚度非线性对动态力传递特性的影响。已有研究表明,联合载荷作用下的ACBB,刚度特性呈现出软-硬特性交替的现象。而这种非线性刚度特性将对转子系统的动态传递特性产生显著影响。因此,本文将开展ACBB支承的FRS动态力传递特性研究。将联合载荷、接触角变化的影响引入Sjovall公式中,准确求解ACBB的内部载荷分布和非线性刚度。建立考虑ACBB非线性支承特性的FRS横向振动模型,结合谐波平衡法和弧长延拓技术,求解系统动态传递率,并给出结果的稳定性。采用数值积分和动态测试两种手段,验证谐波平衡结果的准确性。在此基础上,分别讨论转子不平衡激励、轴向预载以及转子阻尼对系统动态传递率的影响规律。最后,给出论文的结论。更多还原