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鼠笼弹性支承应力分析与降低应力方法的研究

彭京徽;周海仑;刁诗靖;王强

【摘要】为了减小鼠笼弹性支承应力集中以降低鼠笼条根部断裂的可能性,基于鼠

笼弹性支承几何结构、受力特性等,进行了鼠笼弹性支承根部的应力分析.首先,简化

鼠笼弹支的力学模型并进行受力分析;然后,推导出鼠笼弹支根部应力的计算公式,分

析了鼠笼弹支的可靠性条件;最后,基于有限元仿真对比研究了几种降低鼠笼弹支根

部应力集中的方法.

【期刊名称】《风机技术》

【年(卷),期】2018(060)005

【总页数】6页(P53-58)

【关键词】鼠笼弹性支承;刚度;有限元;应力

【作者】彭京徽;周海仑;刁诗靖;王强

【作者单位】海军工程大学兵器工程系;沈阳航空航天大学航空发动机学院;海军工

程大学兵器工程系;海军工程大学兵器工程系

【正文语种】中文

【中图分类】V231.96;TK05

0引言

鼠笼弹性支承是涡轴、涡喷和涡扇等航空发动机和燃气轮机等现代高速旋转机械转

子系统中常常采用的支承结构[1-2]。鼠笼弹性支承作为一种柔性支承结构，在保

证其工作刚度要求的同时也要满足挠度条件，对整个转子系统的安全可靠运作起到

至关重要的作用[3]。国内外已有很多学者对带有弹性支承结构的转子系统进行了

大量的理论和实验研究[4-12]。其中比较典型的有：付才高和郑大平等指出了鼠笼

弹性支承在转子系统正常工作情况下，受到产生静载作用的重力和产生动（交变）

载荷作用的不平衡力，并推导得出了鼠笼弹性支承刚度的传统计算公式[13]；徐方

程和刘占生用6个不同结构尺寸的鼠笼弹性支承进行刚度测试实验，考虑了鼠笼

条数目和鼠笼条长度对鼠笼刚度的影响[14]；彭京徽和周海仑等为了获得鼠笼弹性

支承准确的刚度值，基于实验测试、有限元数值仿真和理论公式推导，进行了鼠笼

弹性支承刚度的实验和计算研究[15]；唐瑞和郭健等基于参数化建模思想，为进一

步提高鼠笼式弹性支承结构设计的合理性，和最大限度地减小鼠笼弹支的应力集中，

结合有限元法提出了分步优化设计的方法[16]。上述研究都是对鼠笼弹支刚度展开

的研究和基于有限元对鼠笼弹支疲劳和应力展开的研究，但都没有对笼条根部应力

进行力学上理论分析。而在工程实践中鼠笼弹性支承的断裂通常发生在鼠笼条的根

部，这主要是因为笼条根部的应力过大和应力集中，因此分析鼠笼弹性支承受力，

求解笼条根部应力大小并对鼠笼弹支进行优化设计以减小应力集中成为保证转子机

械平稳安全工作的必要工作。基于此，本文通过对鼠笼弹支的力学模型进行受力分

析并推导应力的计算公式，得到鼠笼弹性支承的可靠性条件，同时对比研究了几种

减小应力方法对降低笼条根部应力集中的效果。

1鼠笼弹支的模型

鼠笼式弹性支承是中空悬臂式结构，一端悬伸，其内部装置轴承用以支承转子，另

一端由带有螺栓孔的底座圆盘固定在机匣轴承座上，结构如图1所示。

2鼠笼弹支根部应力分析与可靠性条件

2.1根部应力计算

工程实践中鼠笼弹性支承的断裂通常发生在鼠笼条的根部，所以在保证鼠笼弹性支

承刚度的基础上进一步对鼠笼条根部应力分析成为了一项重要的工作。基于力学简

化模型和实际工作状态进行分析可知，鼠笼弹性支承的轴承支承面在实际工作时只

有一半的支承面承受载荷[17]和转子偏心引起切向载荷产生的转矩，如图2所示。

图1鼠笼弹性支承的结构图Fig.1DiagramofSquirrelcageelasticsupport

structure

图2鼠笼弹性支承的受力简图Fig.2Diagramofsquirrelcageelastic

supportforce

图2中f为分布载荷的大小，所以鼠笼弹支所受合力F

对鼠笼条根部取等效力系时，产生附加力偶My，为便于理解简化成筒体，受力如

图3所示。

图3鼠笼弹性支承的等效力图Fig.3Diagramofsquirrelcageelasticsupport

equivalentforce

鼠笼条根部的剪切力τF

式中,F为鼠笼弹支受到的载荷；A为鼠笼条根部截面面积。

鼠笼条根部产生的弯曲正应力δMy

抗扭截面系数

所以

同理可求得其产生的切向应力τMx

由上述分析可知作用在鼠笼条根部截面受到的应力为合应力τr

由受力分析可知δMy和τF方向相同，所以

在忽略转矩Mx瞬时性和突变性，使其为理想的均匀状态，当τMx和δMy+τF方

向一致时，此时产生的剪切应力最大

2.2鼠笼弹支可靠性条件

2.2.1刚度条件

刚度是物体