用自由界面模态综合法研究发动机—排气管—涡轮增压器系统的振动

将发动机整体系统分解成发动机主体和排气管+涡轮增压器两个子系统,分别建立动力学模型,然后用自由界面模态综合法进行系统综合,获得整体系统的振动模态和振动响应,计算结果与实验结果相吻合。计算得到的涡轮增压器轴承座处的振动响应,可以作为发动机对涡轮增压器转子的基础激励进行转子动力学研究。     

车用涡轮增压器转子轴向力数值计算与分析

讨论了车用涡轮增压器转子轴向力传统理论计算方法和数值模拟计算方法,并针对小型车用汽油机涡轮增压器JP50Q建立了压气机和涡轮系统模型以及叶轮轮背间隙模型。进行了压气机端、涡轮端和叶轮轮背间隙的轴向力数值模拟计算,得到了增压器转子轴向力计算结果。通过分析不同设计工况下的计算结果,得到增压器转子轴向力随转速变化的一般规律。利用数值模拟计算结果,进行了JP50Q涡轮增压器止推轴承设计校核,为增压器止推轴承的设计和可靠性验证提供了理论计算依据。     

基于附加约束的小型涡轮增压器转子模态测试

针对转子模态参数难以有效获取的问题,进行了基于附加约束的小型涡轮增压器转子模态测试研究。以多种材料和零部件组成的某型汽油发动机涡轮增压器转子结构为例,采用有限元法构建了其有限元模型,得到自由边界条件下转子前三阶模态频率。然后分别采用卧式悬挂、立式悬挂、海绵垫、硬纸垫四种不同附加约束条件,开展转子的力锤模态测试,通过稳态图识别模态频率,与有限元仿真结果进行对比发现,采用悬挂方式较采用直接固定约束方式的识别值要低,而采用立式悬挂约束方式获得的转子模态测试综合效果最佳。     

涡轮增压器压气机叶轮锁紧螺母扭力设计计算方法研究

针对车用涡轮增压器高速转子轴承系统可靠性问题,研究车用涡轮增压器的压气机锁紧螺母扭力设计方法。基于理论推导和涡轮增压器的工作特点,确定了压气机锁紧螺母预紧力范围的计算公式。结合压气机热力计算结果,得到发动机不同工况工作条件下转子轴输出功率的大小,从而确定不同设计工况点压气机锁紧螺母扭力值,确保转子轴承系统的可靠运行。将这种方法用在JP50Q汽油机涡轮增压器设计上,计算得到压气机锁紧螺母力矩范围,通过实践安装验证满足增压器高转速工作要求。     

基于PCE法的某涡轮泵转子动力学特性不确定性分析

为解决某火箭发动机涡轮泵转子动力学建模中存在的参数不确定性问题,采用PCE法对连接刚度的不确定性问题进行研究。建立转子系统的有限元模型,与确定的模态试验结果进行对比,前两阶的模态频率误差不超过4%。采用PCE法建立局部连接刚度含不确定性参数的动力学模型,研究连接刚度为服从高斯分布的随机变量时引起的转子动力学特性的不确定性。将结果与基准解进行对比分析,验证了该方法的有效性。     

轴承预紧力作用下电主轴系统动力学特性研究

考虑轴承预紧力这一非线性因素对轴承支承动态刚度的影响,建立了磨削电主轴系统动力学模型。在转子系统中考虑由于转子质量偏心而产生的不平衡力,采用数值积分方法研究电主轴转子系统在轴承不同预紧力、不同转速下系统的非线性动力学行为。结果表明:轴承预紧力是影响电主轴转子系统非线性动力学特性的一个重要因素,合理的选择转子系统的工作参数,可提高系统的稳定性。     

球轴承涡轮增压器轴承-转子系统动力学分析与应用

相比于普遍使用的浮动轴承,在涡轮增压器中使用球轴承具有机械效率高和加速响应快的优势。以车用球轴承涡轮增压器为研究对象,用有限元法对轴承-转子系统进行了转子动力学特性的研究,对轴承-转子系统的临界转速进行了计算与分析,这是判断转子工作转速是否稳定和涡轮增压器工作是否可靠的重要依据;建立了增压器模型,并对比了计算结果和试验结果,证明了方法的可行性。通过整机试验表明,球轴承涡轮增压器能够满足当前车用发动机的需求,能够提高发动机的工作性能。     

温度场作用下车用涡轮增压器转子动力学仿真与结构改进

涡轮增压器在工作时,高温废气会把大量的热量传递给涡轮叶轮,并通过转轴传递给压气机叶轮。由于压气机叶轮处于常温环境中,受到高温加热的涡轮增压器转子会产生较大的温度梯度。根据涡轮增压器转子的实际结构和工作条件,建立了考虑温度场作用的转子动力学分析模型,对不同工况下涡轮增压器转子动力学特性进行研究和实验验证,揭示了温度场对涡轮增压器转子临界转速和稳定极限转速的影响规律,并根据计算结果对转子结构进行优化。结果表明:温度场使转子一阶临界转速增大,二、三、四阶临界转速降低,使稳定极限转速的阈值降低。从温度场作用方面出发,对高温环境下涡轮增压器转子系统动力学特性进行准确分析及结构改进,对于提高我国涡轮增压器的设计研究水平具有一定的参考意义和工程实践价值。     

弹性支承高速喷漆涡轮系统动态特性研究

将一类高速喷漆涡轮系统机架与转子间精密滚动球轴承用约束矩阵来描述,进而将涡轮系统考虑成柔性、耦合双弹性梁,运用模态综合法建立其动力学模型.考虑转子前后两端喷杯及底盘偏心,建立双面离心力作用下的转子子系统强迫力模型.据此,研究了耦合系统固有频率、主模态等动特性,分析了转子末端动态响应.     

基于电磁激励的柔性转子系统轴承等效参数辨识

随着高端透平机械的发展,迫切需要准确预测转子系统的模态阻尼以确保在工作条件下稳定运行,而准确可靠的辨识出轴承的动力学性能参数是先决条件。通过电磁轴承作为激振器给柔性转子施加激励力,并综合多截面测点的转子振动信息准确识别转子的轴承参数。将转子-轴承系统转换为被控对象和控制器的闭环控制系统,从而把轴承参数的识别问题转为控制系统的控制器参数识别,解决传统识别方法转子轴承中心和振动位移测量点不一致的情况,并且可提高参数识别的准确度。建立高精度的转子有限元模型进行基于模型的参数识别,并开展试验研究以验证该方法的可行。通过使用识别的轴承刚度阻尼参数预测的转子稳定性参数（固有频率与对数衰减率）与通过传统的扫频激励的测量方法得到的结果相比较,验证该方法的准确性。该识别方法可为轴承参数的辨识提供便捷的方法并为提高高端透平机械的稳定性设计提供理论和技术基础。     

弹性支承高速喷漆涡轮系统动态特性研究

将一类高速喷漆涡轮系统机架与转子间精密滚动球轴承用约束矩阵来描述,进而将涡轮系统考虑成柔性,耦合双弹性梁,运用模态综合法建立其动力学模型。考虑转子前后两端喷杯及底盘偏心,建立双面离心力作用下的转子子系统强迫力模型。据此,研究了耦合系统固有频率,主模态等动特性,分析了转子末端动态响应。     

预紧力失谐对拉杆转子稳态响应的影响规律研究

为探究预紧力失谐对考虑等效接触层的拉杆转子稳态响应的影响，在预应力模态分析基础上，对多级拉杆转子进行正弦激励力作用下的谐响应分析，并通过各响应输出结果得到在一定激励频率范围内的响应振幅变化规律。研究表明：在200～1220Hz范围内，频率-振幅曲线存在320Hz和1160Hz两个波峰，且随预紧力失谐程度的增加，第一波峰对应峰值在预紧力0%～15%失谐范围内逐渐变大，在预紧力15%～25%失谐范围内逐渐降低；而第二波峰对应峰值在预紧力0%～25%失谐范围内则基本呈现增大趋势。同时，结合预应力模态分析结果及谐响应结果可知，系统固有频率对预紧力失谐的敏感度明显低于系统稳态响应对预紧力失谐的敏感度。     

粗糙度和预紧力对周向拉杆转子轴承系统临界转速的影响

基于分形接触理论,建立了拉杆转子轮盘结合面弹性接触弯曲耦合模型和扭转耦合模型。采用集总参数法,建立了拉杆转子—滑动轴承系统的动力学模型。用数值仿真方法,研究了系统临界转速随拉杆预紧力、轮盘接触面粗糙度、转子温度的变化规律;用试验方法,研究了系统第一阶临界转速随拉杆预紧力的变化规律,验证了理论模型的准确性。研究发现:临界转速随拉杆预紧力的增加而上升,随粗糙度的减小而上升;粗糙度越大,临界转速对粗糙度的变化越敏感;在相同粗糙度和拉杆预紧力作用下,转子温度升高,系统的临界转速将下降。     

航天伺服超高速涡轮泵转子动力学特性研究

为研究航天伺服系统用小型超高速涡轮泵工作过程中的振动特性,针对涡轮泵的轴系进行转子动力学分析.使用有限元软件ANSYS进行APDL参数化建模仿真的方法,计算了转子的临界转速、模态振型.对转子不平衡质量力在多种分布条件下的动力学响应进行研究,得出轴系最佳响应对应的不平衡质量力分布方式,以及在二阶临界转速下涡轮泵轴系的振动及支承反力控制方法,具有工程应用价值.     

高速列车车轮多边形对轴箱的影响分析

为分析高速列车轴箱端盖脱落的原因,建立了轴箱端盖的有限元模型,通过模态分析得到了580Hz的固有模态,并依据模态试验验证了模态分析结果。经过和线路试验数据对比发现该固有频率和20阶多边形的激励频率很接近,针对这一情况应用多体动力学软件建立了包含轴箱和端盖的车辆动力学模型并对轴箱端盖的振动特性进行分析。结果表明:端盖处的加速度要远远大于轴箱体上的加速度,结合频谱分析可以确定轴箱端盖处发生了共振,激烈的振动会使预紧力下降,当预紧力下降到2.5kN螺栓发生松动。上述结论与试验结果一致,并且根据测力螺栓的和端盖的试验数据可以发现随着螺栓预紧力的下降端盖的振动更加剧烈。本研究确定了引发高铁轴箱端盖掉落的根本原因,对于高铁车辆的安全运行有一定的指导借鉴意义。     

考虑结合面法向刚度的拉杆转子轴向振动特性

针对接触刚度解析模型参数确定困难、精度难以保证等问题,提出了根据弹塑性粗糙表面微体单元受力变形的有限元分析结果确定轮盘结合面法向刚度的方法;为准确获取拉杆转子的轴向振动特性,建立了考虑轮盘结合面法向刚度的集中质量动力学模型;运用上述方法和模型计算了某型实验转子轴向振动的固有频率,并将结果与实测数据进行对比,误差低于5%,证明了该方法的有效性;改变拉杆预紧力,进一步研究预紧力对拉杆转子动力学行为的影响,结果表明：拉杆预紧力对转子的作用效果存在一个饱和区域,可为拉杆预紧力数值的确定提供重要的设计依据。     

无油涡轮增压器的设计及其试验研究

对采用空气箔片轴承支承的无油涡轮增压器进行了设计和试验性研究。详细阐述了无油涡轮增压器以及所采用的空气箔片轴承的设计过程。通过静态加载试验预估了空气箔片轴承的名义间隙,采用Link-Spring模型预测了空气箔片轴承支承结构的刚度,结合Link-Spring模型和雷诺方程,采用扰动法对轴承的动态刚度和阻尼系数进行了有效预测。线性转子动力学分析表明设计的无油涡轮增压器转子的前两阶刚体模态临界转速均在所用空气箔片轴承的起飞转速之下,转子的正常运行转速在一阶弯曲模态临界转速之下并具有足够的安全裕度。对整个转子系统进行了转子动力学分析与计算之后,在此基础上搭建了无油涡轮增压器试验台,初步的升降速试验结果表明：转子在20 kr/min~60 kr/min出现较大的次同步振动,但是转子在68 kr/min时次同步振动显著减小,转子在68 kr/min稳速时的轨迹以及FFT分析表明转子在该转速下的主要振动来自同步振动,这表明增压器可以在68 kr/min稳定运行。同时,实时测量了推力轴承和径向轴承的温度,在68 kr/min稳速期间,推力轴承和径向轴承温度分别在52℃和32℃处小幅波动,说明了该转子-轴承系统的相对稳定性。     

电主轴整机高速转速临界特性研究

基于整体传递矩阵法与滚动轴承分析理论,首次建立了高速电主轴整机三转子耦合动力学模型。以某款立式铣削用电主轴为例,完成其临界转速特性计算,并将整机三转子耦合动力学模型计算结果与传统的单转子、双转子模型的计算结果进行对比分析,最后完成了电主轴系统结构参数对临界转速的灵敏度分析。研究结果表明：较传统的单转子、双转子模型相比,提出的整机三转子耦合动力学模型能更好地描述电主轴动力学行为;在电主轴结构参数中,轴承的轴向预紧力、轴承跨距、电机转子内径是影响电主轴临界转速特性的主要因素。     

长周期变转速下入口油温对高速轻载涡轮增压器转子振动特性影响

高速轻载涡轮增压器转子系统的入口油温在长周期变转速运行条件下会产生动态变化,从而改变转子系统振动特性甚至导致非线性振动事故。以某型汽油机用高速轻载涡轮增压器转子为研究对象,分析浮环轴承内油膜最小厚度与偏心率随入口油温参数的变化规律,构建涡轮增压器转子-浮环轴承系统动力学有限元模型,采用Newmark积分法分析转子系统的非线性瞬态响应,结合涡轮增压器升速实验,得到不同入口油温下转子系统三维振动瀑布图与Colormap频谱图,探究入口油温对转子系统振动响应特性的影响。结果表明:随着入口油温从50℃增至130℃时,内油膜最小厚度会减少,环速比与偏心率会增加,内油膜振荡幅值逐渐降低,但出现内油膜振荡与外油膜涡动的轴颈转速点会提前约30%,且外油膜涡动幅值会逐步增加。综合内外油膜涡动与振动幅值,入口油温约为90℃时转子振动情况较好。结论可为设计具有智能抗振性能的高速轻载涡轮增压器转子系统的运行参数提供理论参考。     

涡轮增压器起停过程转子轴向力测试研究

涡轮增压器起动和停机过程转子所受的轴向力大小对于增压器的设计是至关重要的。以JP60C型涡轮增压器为研究对象,利用有限元方法计算增压器止推轴承的应变场,确定了转子轴向力的测量方案。并在增压器性能试验台上对增压器转子轴向力进行实验测量。实验结果表明,增压器起动和停机时,止推轴承所承受的轴向力远大于稳定工作时所承受的轴向力;且起动和停机工况下,转子所受的轴向力方向相反。试验结果将为增压器止推轴承的合理设计提供理论依据。