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1、高速离心雾化器驱动系统永磁轴承结构设计研究 高速离心雾化器驱动系统永磁轴承结构 设计的研究 Researchon Structuralof Design Magnetic ofthe Utilized in Bearing DriVingSystem High Atomizer Speed Centrifugal 学科专业：机械制造及其自动化 研究生：徐国胜 指导教师：张大卫教授 天津大学机械工程学院 二零一零年二月 一令一夸牛一月 舢椰九哪川删f|I|f|IIf Y1 872421 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研究 成果，除了文中特别加以标注和
2、致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过 的研究成果，也不包含为获得苤鲞盘鲎或其他教育机构的学位或证书而使用过的 材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并 表示了谢意。 ， 1 签字日期： 劬年多月矿日 学位论文作者签名：符：国胜 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解丕鲞盘鲎有关保留、使用学位论文的规定。特授 权墨盗盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，并采用 影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国家有关部门 或机构送交论文的复印件和磁盘。 保密的学位论文在解密后适用本授权说明 k 导师签名： 学位
3、论文作者签名：符国7理 签字日期： 签字日期：研D年多月D日 乒口户年弓月日 摘 要 高速离心雾化喷涂设备目前在汽车制造业中应用广泛，该设备通常由涡轮驱动系 统和油漆雾化器构成，永磁轴承作为涡轮驱动系统的核心部件必须具有高转速、高运 动稳定性、寿命长和高可靠性等特点，本文紧密结合国内汽车覆盖件喷涂工艺过程中 的实际工况以及存在的技术问题，主要研究高速磁气混合离心式喷涂涡轮系统中由气 浮止推轴承和永磁轴承组成的磁气混合轴承的结构设计理论和动态特性，取得以下研 究成果。 1为了充分发挥永磁材料的功效，研究了永磁环截面尺寸及体积对轴承刚度的影响， 1 设计了永磁轴承的截面形状。 2建立了径向永磁轴承
4、的力学模型，分析轴向、极性异向布置的双环径向永磁轴承 的结构特性，进而推导出其径向和轴向承载力的计算表达式，通过双环磁轴承结 构磁路分析，讨论了涡轮中永磁轴承径向力的起因，并推导出承载能力及其刚度。 3通过对喷涂涡轮承载能力的模拟仿真，找出了喷涂涡轮中整个磁气混合轴承的轴 向工作点。 4设计并制作一套轴承基体，论述加工过程中的问题和解决方法。通过设计永磁轴 承径向磁吸力的试验，验证了力学模型的合理性和仿真计算结果的正确性。 5通过实验，验证了气浮轴承位移与刚度的关系。 关键词：喷漆涡轮永磁材料磁气混合轴承结构设计承载能力 如 - 、 ABSTRACT atomizer havebeen use
5、din Recentlylli曲一speedce疵fhgal equipments widely it Ve址cle is ofa aIlda manufacturing，锄dgenerallyComposedtIlfbo-“Vingsystempaint isa of也e it should atomizerMagneticbearillgkeycomponent tu内o-dI打ingsystem，and havethecharaCt耐stics Iifeand ofhi曲speed，11i曲dyn锄icstabili吼longlli曲reliabili够 actual condition
6、saIld technical in domeStic Consid锄g也ewofking existing problems automobile dissertation studies也es仃uctIlralt11eories锄d partcoatingprocess，this design Characteristicsof ofme dynamic h bTid ma驴eticbeamgsconsiStiIlgnoating恤mst and usedin be撕ngsmagneticbe疵gs hyb矗d hi曲-speedmagneticcentri如galspray turbiI
7、leTheacllieVememshaVebeenmade f0110w证g 1 111ordert0 tothe of e仃ectsof giVe血11 play emcacypernlanentmagIleticmat甜al，t11e 也e sizeandv01umeonthe sti筋esswere magneticloopheight，cross?sectional be撕ng tllecrosssectionof were 咖died，and sh印espenllanent ma印etbe痂gsdesi印ed 2 Themechanjcalmodelsofradial were th
8、es饥lctural ma印eticbe撕ngsestablished，and charact谢sticsofthe radial with doubleloopp锄anent aXial， ma乒eticbe撕ngs dia打ent were then也ecalculation oftlleir layout anal ，zedAnd pol撕ty expressions radialaIldaXial be痂gcapac埘werededucedThrou曲t11e double?血gma盟etic of causes radialforceofthe ma印eticcnuit趾alysis
9、，the be撕ngs ma印eticbea血g tlnbinewerediscussedandthe andsti衄esswerederived can弭ngcapac“y simulationsofthe the 3By c锄研ngc印ac时of tIlrbine，廿le spraying aXial叩eratingpo血 the ofthe turbine wasidentified spra ，illggaS hybridmagneticbe撕ng 4 A base the and be撕ng w嬲desi弘ed趾dmanufac删，锄d processingprobleIIls so
10、lutionswere t11e of radial force discussedThroughdesignm艇皿eticbe痂g magnetic ofmechaIlicalmodels锄dcom笼t11essof simulationresults exp嘶ments，therationality weIreverjfied 5 The be铆eentheair andsti伍lesswasv嘶fied relationship be耐ngdisplac锄ent Atomizer Material， Air Keywords：Painting System，M弛皿et Magnetica
11、irHybd Be撕ngs，Snuctural Desi鲈，Ca盯 ，i119C印ac时 目 录 第一章绪论1 11课题研究的背景与意义1 12国内外研究状况3 1-21永磁材料4 122永磁轴承的结构形式5 123永磁轴承磁路优化设计5 124磁力及刚度的计算方法6 125永磁轴承稳定性8 13主要研究内容9 第二章径向永磁轴承承载能力数值分析与结构设计10 21高速离心雾化器驱动系统径向永磁轴承基本结构10 22永磁轴承径向偏移承载能力?10 221径向偏移承载能力定性分析10 222承载能力12 23永磁轴承轴向偏移承载能力13 231轴向偏移承载能力定性分析13 232承载能力13 2
12、33刚度计算14 24永磁轴承结构设计14 241结构尺寸设计14 242永磁轴承承载能力15 243截面尺寸设计16 244永磁轴承截面组合结构18 25小结19 第三章永磁轴承承载能力研究与仿真20 31径向永磁轴承20 311径向永磁轴承轴向承载能力的计算20 312径向永磁轴承的径向刨复能力的计算21 32磁气混合喷漆涡轮永磁轴承磁路设计和承载力计算21 321双环永磁轴承结构设计21 322双环永磁轴承磁路设计及承载能力计算22 33高速磁气混合静电喷涂轴承承载力模拟仿真24 34小结27 第四章永磁轴承基体设计及工艺分析28 41轴承基体及夹具设计28 42加工工艺分析29 421
13、基体加工分析29 422夹具加工分析32 43小结34 第五章永磁轴承径向承载能力实验35 一 51实验一：悬挂重物测力实验35 51-l实验装置35 512实验设计35 513试验结果36 514试验结果分析38 52实验二：气浮测力实验39 521实验装置39 522实验步骤41 523实验结果4l 53小结43 第六章全文总结44 61结论44 62工作展望44 附件46 参考文献56 致谢59 第一章绪论 第一章弟一早 绪殖 论了匕 11课题研究的背景与意义 覆盖件喷涂是汽车制造、家电等需要很高外观质量产品的关键工序，喷涂设备性 能的优劣将直接关系到产品成本和市场竞争能力。自90年以来
14、，为提高生产效率、降 低劳动强度、提高漆的利用率和覆盖件表面质量的稳定性，国内主要轿车生产厂家 如 上海大众、上海通用、一汽、二汽、天津夏利、重庆长安、北京吉普、广州本田等 先后花费上百亿人民币引进数十条自动静电喷涂生产流水线 设备生产厂家有英国 以替代传统的手工喷漆作业。 高速离心式雾化涡轮的核心部件是轴承。第一代离心式高速喷漆涡轮是以弹性滚 动转子轴承作为支撑件，由于弹性滚珠的接触性磨损，导致这种弹性支承喷漆涡轮转 速不高、寿命不长。现在国内各大轿车生产厂一家喷涂设备主要使用第二代离心式高速 喷漆涡轮一高速气浮支承喷漆涡轮，由于气浮轴承的使用而实现了转子的悬浮，从而 使喷漆涡轮喷杯的转速，
15、相对于机械轴承，有了很大的提高，喷出来的油漆雾状微粒 更细、更均匀，在很大程度上改善了轿车表面的喷漆质量。但是，由于气浮轴承所使 用的高压气体需要经过滤掉水分、尘埃等杂质的净化处理，使得气浮轴承结构复杂、 不易维护，成本高。近年来，随着强磁材料的开发和永磁轴承技术的发展，一类基于 永磁轴承的磁气混合支撑调整喷涂涡轮受到极大关注。永磁轴承具有诸多优点：结构 简单紧凑，体积小，承载能力非常大，非机械接触而无磨损，转速高，寿命长，而环 境性强，运转时振动和噪音小。磁气混合轴承可有效地弥补上述流动和气浮轴承的不 足，由此构成的喷涂涡轮能够极大地提高喷漆质量和降低生产维护成本。 磁轴承是利用磁力实现转子
16、的无接触悬浮，因而不需润滑，可用于真空、超净和 极端温度和压力条件，无磨损和疲劳，寿命长，还具有高转速、高精度、高动力学性 k 能，可以说，磁轴承是一种新型轴承，是一种高技术的机电一体化的产物。 图卜1是近几年一种国内汽车厂家以高成本从国外引进的高速磁气混合喷涂涡 轮。磁气混合喷漆涡轮的设计原理示意图如图卜2所示，主要由气浮轴承和永磁轴承 两部分构成。工作过程中，向气浮轴向止推轴承中的气流孔输入高压气体，使其产生 轴向支承力，以克服永磁轴承中定子对转子的轴向磁吸力，使转子悬浮起来，由于转 子和定子之间的偏心，永磁轴承产生的径向永磁力将对转子起定心的作用，使涡轮正 第一章绪论 常工作。同时，高压
17、驱动气流驱动叶轮，带动转子和喷杯高速转动。图中永磁轴承采 用双磁环结构，且极性异向布置，其特点是承载能力大，径向刚度高，能很好地满足 转子径向稳定性要求。 毛 a 外形图 b 内部结构图 图卜l高速磁气混合静电喷漆涡轮 堕壁皇塾 塑重王堡玉堕 放大图B 5：1 a 内部结构图 b 局部放大图 图卜2磁气混合喷漆涡轮工作原理 1输气管2叶轮3定子4底座5转子6喷杯 、 但进口气浮高速喷漆涡轮并未能达到上述要求，在实际使用过程中，存在各种各 样的问题。集中表现在转速忽高忽低，稳定性差，噪音过大，突然停机等，严重影响 了生产和喷漆质量。因目前国内尚没有能力制造和维修气浮高速喷漆涡轮，故损坏后 须购置
18、新涡轮或送国外维修，订货和维修周期相当长，至少三个月，为了维护生产的 2 第一章绪论 正常进行，须存有大量备件，而无论购买或维修费用都相当高，极大地增加了维修的 成本。 目前，国内对由永磁材料做成的永磁轴承研究甚少，对永磁轴承和气浮止推轴承 联合使用的磁气混合轴承在喷漆涡轮上的运用研究尚属空白，还不能对永磁轴承进行 制造和维修。为此，这里将密切结合国内轿车覆盖件喷涂工艺过程中存在的技术问题， 主要研究高速磁气混合喷漆涡轮系统中磁气混合轴承的结构设计理论，为国内厂家对 高速磁气混合静电喷涂涡轮系统的设计、维修和维护提供理论依据，打破国外厂家对 我国汽车工业喷涂技术封锁，降低喷漆成本，具有实际的工
19、程意义。 12国内外研究状况 1885年，希尔 GHim 首次提出了以空气作为润滑剂的可能，此后，气体润滑 技术得到进一步发展，在此基础上，金斯伯利 Ak证sbe哆 研制了一种气体润滑径 向轴承，1913年，英国的WJHamson在保留连续方程密度项的同时，在等温假设条 方程的解，为气体动压润滑奠定了基础。在实验研究上，1932年美国在陀螺仪上第 一次进行了气体轴承的实验。随着现代科学技术，特别是电子技术、磁性材料和超导 材料的迅速发展，磁悬浮技术的理论研究与工业应用开发越来越受到人们的重视。磁 悬浮技术从方式上主要有以下三种分类：l、电磁吸引控制悬浮方式 EMS Elec仃oma盟etic
20、Repulsive SuSpension ；3、感应斥力方式EDs Elec仃odyn锄icsSuSpeIlsion 。目前，磁悬浮技术 的大规模应用主要集中在悬浮列车和悬浮轴承两方面。永磁轴承就是磁悬浮技术在工 业中的一种应用心1。相对于电磁轴承，永磁轴承中的永磁磁路不需要激磁电流，不 消耗电力、不需要激励磁线圈，也无需供电系统，整个轴承系统的结构变得简单紧凑， 体积较小；另外，磁铁的承载能力非常大，如稀土中的NdFeB系永磁材料 231能吸起 相当于自身重量640倍的重物，这样的永磁材料做成轴承，无疑使机械、仪表设计向 小型化、轻型化成为可能旧t。与传统滚珠轴承、滑动轴承以及油膜轴承相比，永磁轴 k 承不存在机械接触，转子可以达到很高的运转速度，具有机械磨损小、能耗低、噪声 小、寿命长、无需润滑、无油污染等突出优点，特别适用高速、真空、超净等特殊环 勺