臺灣博碩士論文加值系統

摘要
磨損是主要造成機械結構和零件使用壽命縮短的原因，因此為了降低摩擦、減少磨損、提高機械使用效率、延長零件壽命，在機械結構中加入潤滑介質是最常用的方法而流體軸承能夠提供的有效潤滑和散熱效果同時具被良好的抗振能力及承載能力。相比於其他軸承，流體動壓軸承成本較低，且設計系統較為簡單，且流體動壓軸承依靠潤滑介質較大的黏度而具有更好的抗振能力及承載能力、低噪音、壽命相較於滾珠軸承長且不需要高壓壓力幫浦等之優點，而磁流體軸承在磁場的作用下可以改變磁流體黏度以提高流體軸承的承載能力並改善潤滑效果。本文希望透過將磁流體當作潤滑介質並設置外部磁場，達到控制磁流體之黏滯特性來改善流體動壓軸承的缺點，提升傳統流體動壓軸承之性能來改變液體動壓軸承之油振發生頻率。
本文建立一組流體動壓軸承轉子測試平台並針對磁流體動壓軸承的穩態特性進行研究，利用雷諾邊界條件與有限寬軸承壓力函數的解析法，得到了磁流體軸承潤滑膜的壓力分佈、承載力分佈、軸承姿態角等穩態特性參數，並考慮在有一外加磁場強度影響的狀況下，將對磁流體的黏度方程式進行修正，得到磁流體的黏度溫度、黏度壓力之特性，並探討了磁場對磁流體動壓軸承系統剛度的影響。藉由分析了磁場、溫度和軸承參數對於軸承特性的影響，建立磁流體動壓軸承的物理及數學模型。藉由分析不同磁路方向，對油軸承油漩、油振等實驗之影響。由油軸承之全頻譜串聯圖中觀察軸承發生油漩之穩定門檻轉速中可知，因為磁場可改變磁流體之黏滯係數，提高軸承潤滑液剛度提升可以改變流體引發的油漩或油振不穩定發生之頻率。實驗結果顯示，均勻磁場所獲得之效果為最優，可有效提升本測試平台之旋轉油軸承的油漩或油振不穩定門檻發生之轉速由原始之3024轉提高到4480轉赫茲；磁流體動壓軸承在外部磁場的作用下可以減少在低轉速時轉子對定子之間的乾摩擦，實驗顯示在外部磁場1200高斯作用下，磁流體動壓軸承降低了約5μm的振動量。

Abstract
Wear is the main cause of reduced mechanical structure and part life, in order to reduce friction, wear, improve mechanical efficiency and extend the life of parts, adding lubricant is the most commonly used methods in the mechanism. Fluid bearings provided effective lubrication and cooling effects also had good anti-vibration capacity and carrying capacity. Hydrodynamic bearing had the advantages of low cost, design system is simple, better vibration resistance and load-bearing capacity, low noise, long life and does not require high-pressure pressure pump, etc. Ferrofluid bearing can changed the viscosity in the magnetic field also improved the fluid bearing capacity and lubrication. In this paper, the ferrofluid as a lubrication medium and set the external magnetic field. By increasing the ferrofluid viscosity to improve the shortcomings of hydrodynamic bearings and changed the frequency of oil whirl or whip.
In this paper, established a set of hydrodynamic bearing rotor test platform and studied for the steady-state characteristics of hydrodynamic bearings. From the experiment we know when changing the viscosity of the ferrofluid, bearing stiffness and the frequency of oil whirl or whip can be increased. Experiment result shows, the best results obtained in a uniform magnetic field. Oil whirl instability threshold speed from the original 3024 rpm to 4480 rpm Hz. Ferrofluid hydrodynamic bearings can reduce dry friction in the magnetic field, the hydrodynamic bearing reduced the amount of vibration about 5μm in the magnetic field 1200 Gauss.

目錄
摘要 I
Abstract II
誌 謝 III
目錄 IV
圖目錄 VII
表目錄 X
符號表 XI
第一章 緒論 1
1.1 研究動機 1
1.2 研究目的 3
1.3 研究重要性 4
1.4 文獻回顧 5
1.5 論文架構 10
第二章 流體動壓軸承模型建立 11
2.1 磁油混合式動壓軸承之設計 11
2.2 動壓軸承簡介 12
2.3 雷諾方程式 13
2.4各種假設 15
2.5液柱的流動連續性 16
2.6 元件平衡 17
2.7 雷諾方程式簡化[83] 19
2.8 油膜厚度方程式 20
2.9邊界條件 23
2.10 無限長軸承 26
2.11 有限長軸承 27
2.12 無限短軸承 30
第三章 剛性轉子的動態分析 36
3.1 軸承反作力 36
3.2流體薄膜軸承動態力量係數(Dynamic Force Coefficients)的定義 38
3.3動態力量係數 39
3.4剛性轉子支承的轉子動態穩定性 41
3.5臨界速度，臨界質量，等效剛度和旋轉頻率比 42
第四章 油振現象 43
4.1 油振現象的理論 43
4.2油振的發生過程 45
4.3 軸承不穩定門檻 46
4.4 影響油振的因子 47
4.5 防止發生油振現象方法 48
第五章 流體的黏度 50
5.1 黏度與溫度之間的關係 50
5.1.1 黏度-溫度方程式 50
5.1.2 ASTM黏度-溫度圖 51
5.1.3 黏度指數（VI值） 51
5.2 黏度與壓力之間的關係 52
5.3 黏度同時隨著溫度和壓力變化的關係式 53
第六章 磁流體的黏度特性 54
6.1 磁流體密度 54
6.2 磁感應強度 54
6.3 磁流體之磁化與退磁 55
6.4 磁流體磁化理論 56
6.5 磁性流體受外部磁場作用下的黏滯係數 61
6.6 磁流體黏度、溫度、壓力、磁場之關係式 67
第七章 磁流體動壓軸承特性模擬 70
7.1磁流體黏度、溫度、壓力關係 70
7.2磁流體於外部磁場下之黏度 71
7.3溫度對磁流體影響 72
7.4外部磁場對於磁流體軸承承載特性的影響 73
第八章 實驗結果與討論 83
8.1實驗設備 83
8.2 實驗數據 88
第九章結論與未來研究方向 95
9.1 結論 95
9.2 未來研究方向 95
參考文獻 97


圖目錄
圖 1 混合式動壓軸承 11
圖 2 單油楔動壓軸 13
圖 3多油楔動壓軸 13
圖 4 漸縮楔的速度型態 14
圖 5 速度型態與壓力 14
圖 6 液柱的流動連續性 16
圖 7 元件力的平衡 17
圖 8 液體動壓軸承運轉示意圖 21
圖 9 流體動壓軸承壓力分布示意圖 21
圖 10 頸軸承形態 22
圖 11 Sommerfeld邊界條件下之壓力分佈示意圖 24
圖 12 半Sommerfeld邊界條件下之壓力分佈示意圖 24
圖 13 Reynolds邊界條件下之壓力分佈示意圖 25
圖 14 雷諾邊界條件 28
圖 15 定限滑板的壓力 31
圖 16 無限短軸承軌跡圓 33
圖 17 軸頸軸承上的剛性轉子 36
圖 18 在平衡位置下的軸頸運動 37
圖 19 潤滑軸承的剛度的物理表徵與阻尼係數 38
圖 20 流體軸承中交叉耦合效應的意義 41
圖 21 油膜流速 44
圖 22 轉速與振幅強度 44
圖 23 動壓軸承頻譜圖 44
圖 24 旋轉發生過程 45
圖 25 不同重量軸之轉速與振幅強度 46
圖 26 轉子系統模型 46
圖 27 多油楔軸承 49
圖 28 特殊軸承(a)特殊型 (b)米歇爾型 49
圖 29 ASTM黏度-溫度示意圖 51
圖 30 磁力線行進方向 55
圖 31 等效電路圖 55
圖 32 無渦漩的微型圓柱 63
圖 33 有渦漩的微型圓柱 63
圖 34磁流體黏度與溫度、壓力關係 71
圖 35 磁流體黏度與磁感應強度關係 72
圖 36 磁流體黏度於有無外部磁場作用下與溫度之關係 73
圖 37 外部磁場作用於磁流體軸承之油膜壓力 73
圖 38外部磁場作用於磁流體軸承之承載力 74
圖 39 軸頸平衡位置示意圖 75
圖 40 磁流體動壓軸承油膜厚度分佈圖 75
圖 41 磁流體動壓軸承油膜壓力分佈 76
圖 42 磁流體動壓軸承在無磁場作用下不同轉速下之油膜壓力分佈 77
圖 43 磁流體動壓軸承在磁場作用下不同轉速下之油膜壓力分佈 78
圖 44 磁流體動壓軸承在無磁場作用下不同偏心率下之油膜壓力分佈 78
圖 45 磁流體動壓軸承在磁場作用下不同偏心率下之油膜壓力分佈 79
圖 46 磁流體動壓軸承在無磁場作用下不同間隙比下之油膜壓力分佈 79
圖 47 磁流體動壓軸承在磁場作用下不同間隙比下之油膜壓力分佈 80
圖 48 磁流體動壓軸承在無磁場作用下不同偏心率與長徑比下之承載力 80
圖 49 磁流體動壓軸承在磁場作用下不同偏心率與長徑比下之承載力 81
圖 50 磁流體動壓軸承在無磁場作用下不同間隙比與偏心率下之承載力 81
圖 51 磁流體動壓軸承在磁場作用下不同間隙比與偏心率下之承載力 82
圖 52 實驗平台 83
圖 53 ADRE 108 Data Acquisition Instrument 83
圖 54 FW-BELL 5180高斯計 84
圖 55油軸承實際圖 85
圖 56 磁流體潤滑液 86
圖 57 黏度計VT-03F 87
圖 58 恆溫槽 87
圖 59 黏度管 87
圖 60 不同磁場下轉速對磁流體溫度之影響 88
圖 61 未加入磁場時油軸承之全頻串聯圖 89
圖 62 磁鐵位置編號 90
圖 63 均勻磁場磁力分析圖 90
圖 64 均勻磁場磁力大小值 90
圖 65 八顆磁鐵均勻磁場油軸承全頻串聯圖(Full Spectrum Cascade Plots) 91
圖 66 非均勻磁場磁力分析圖 91
圖 67 非均勻磁場磁力大小值 92
圖 68 八顆磁鐵非勻油軸承全頻串聯圖(Full Spectrum Cascade Plots) 92
圖 69 低轉速下磁流體動壓軸承之振幅 94

表目錄
表 1 軸承種類與比較 2
表 2 潤滑油的黏度指數 52
表 3 潤滑油的黏度-壓力係數值α 53
表 4 磁流體黏度與磁感應強度變化之關係 72
表 5 有無外部磁場作用下之不同溫度磁流體黏度 72
表 6 精密高斯計規格表 84
表 7 油基磁流體性質 86
表 8 黏度管規格 87
表 9 磁場對軸承剛度的影響 93
表 10 磁流體動壓軸承於低轉速下之振幅 94

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