变质量提升系统钢丝绳轴向-扭转耦合振动特性

为了掌握变质量提升系统的振动特性,考虑提升钢丝绳的扭转运动并根据变质量非完整系统的Ham ilton原理建立了钢丝绳轴向和扭转耦合振动数学模型,并推导了变质量提升系统振型函数及确定轴向与扭转耦合振动频率的超越方程,给出了基于振型函数随系统质量变化及固定不变两种情况下变质量提升系统钢丝绳振动位移、张力和扭矩响应的求解方法。以矿井提升箕斗装载为工况进行应用分析,结果表明:两种求解方法得到的响应基本接近;提升容器装载过程是一个质量增大振动频率减小的过程,钢丝绳的动位移、张力和扭矩以波动形式逐渐增加。装载量较大时可采用振型函数固定的方法计算装载提升系统的频率和响应,冲击较大的载荷建议考虑提升容器的波动载荷,从而有助于提高计算效率和增强提升系统的安全可靠性。     

离心泵流动诱发振动特性数值计算分析

建立了一种适用于离心泵等叶轮机械流动诱发振动工程计算的数值模型和方法流程。基于URANS方程求解泵内流场,在流场非定常计算过程中输出叶轮所受时域脉动压力,将脉动压力通过FFT转换到频谱并以之作为泵组结构的振动激励源,采用隐式有限元方法进行泵组结构振动响应的计算。计算方法通过测试得到验证,可以用于离心泵流动诱发振动特性的计算评估和低噪声设计。完成了原型和改进型船用海水泵在设计工况下流动诱发振动响应的计算,分析了两型泵流场、振动激励源和振动响应等特性。计算表明,泵的改型设计显著减小泵内压力脉动以及振动激励源,改型泵振动小于原泵。     

离心泵流体激励力诱发的振动:蜗壳途径与叶轮途径

研究蜗壳、叶轮途径流体力诱发的离心泵振动,分析CFD蜗壳内表面流体力作用下电机-离心泵-机架FEM模型瞬态响应;用Newmark-β算法分析CFD叶轮表面流体合力、合力矩作用下叶轮-转轴-支撑-机架转子动力学模型响应;并对比蜗壳、叶轮两条途径流体力诱发离心泵基座振动。结果表明,泵内表面流体压力脉动为宽频激振源,会诱使离心泵系统产生各阶模态振动;流体力通过叶轮途径诱发离心泵基座振动位移幅值谱最大峰值出现在叶轮转频处,振动加速度幅值谱最大峰值出现在叶轮流道通过频率处,而非叶片通过频率处;流体力通过蜗壳途径诱发的离心泵基座振动远小于叶轮途径诱发的振动,叶轮-转轴-支撑-机架为流体激励诱发离心泵基座振动的主要途径。     

多级离心泵流场优化及验证

流体激励力是离心泵主要振源之一。通过对离心泵流场进行优化,可有效降低泵组流体激励力,减小离心泵振动。以多级离心泵的减振降噪为研究目的,运用CFD仿真技术从切割叶轮及改变蜗壳形状两个方面对流场进行优化。通过对比优化前后压力脉动以及流场激励力变化,说明优化情况。最后考虑加工工艺要求,选择切割叶轮的优化方法,并通过机脚振动响应的变化间接验证改善效果。结果表明：切割叶轮与改变隔舌形状对离心泵叶频及其倍频下的压力脉动与流体激励力都有减小,切割叶轮后机脚响应降低了4 dB。     

功能梯度材料梁在后屈曲构型附近的自由振动

基于轴线可伸长杆的几何非线性理论,建立了由陶瓷和金属两种材料组成的功能梯度(FGM)梁在轴向载荷作用下后屈曲横向自由振动的精确模型,采用打靶法数值求解了一端可移简支一端固定的功能梯度梁在后屈曲附近的小振幅自由振动,获得了线性振动的响应,给出了不同梯度指标下FGM梁前三阶固有频率与载荷之间的特征关系曲线.数值结果表明,屈曲前各阶频率随轴向力的增加而降低,而屈曲后轴向力对各阶频率影响不同     

移动质量作用下轴向运动悬臂梁振动特性分析

将弹炮发射系统简化为移动质量作用下的轴向运动悬臂梁系统,推导了轴向运动梁的振动方程,采用修正的Galerkin法离散求解该偏微分方程,得到以模态坐标表示的二阶时变常微分方程组,通过Newmark-β法对方程组进行了求解。计算结果表明,移动质量载荷主要使梁的一阶模态受到激励,移动质量的大小和运动速度对悬臂梁的振动响应影响较大,在移动质量作用下梁的伸缩运动都处于不稳定状态;在移动质量脱离悬臂梁后,梁的轴向收缩运动使得梁的瞬时振动频率不断减小,振动位移逐渐衰减,而振动速度逐渐增大,梁的运动处于不稳定状态,伸展时梁的自由振动规律相反。     

带诱导轮高速离心泵流动诱导振动数值分析

基于SST k-ω湍流模型封闭三维Navier-Stokes方程,对某带诱导轮高速离心泵内部流场进行了三维非定常数值计算,并借助计算机辅助工程(CAE)多物理场协同仿真平台ANSYS Workbench12.0,采用单向流固耦合方法对叶轮转子系统进行瞬态动力学计算,分析了带诱导轮高速离心泵的流动诱导振动特性。计算结果表明：流体载荷预应力对转子固有频率的影响不大,转子系统应力随流量增加而变大,且应力最大的位置在叶轮与泵轴结合处;诱导轮顶部的振动位移呈周期性变化,且波动在垂直方向大于水平方向,主频为诱导轮叶片通过频率(267Hz);轴承约束面处各向振动均衡,主频为轴频的3倍(379Hz)。     

轴向运动黏弹性Timoshenko梁横向非线性强受迫振动

研究轴向运动黏弹性Timoshenko梁横向非线性强受迫振动的稳态响应。由广义Hamilton变分原理推导出轴向运动黏弹性Timoshenko梁横向振动的控制方程及相应的边界条件。模型中考虑剪切模量、转动惯量对梁的影响。黏弹性本构关系中运用Kelvin模型并引入物质时间导数。对控制方程施用直接多尺度法,建立强受迫共振的可解性条件,得到稳态响应振幅与激励频率关系曲线。应用Routh-Hurwitz判据判断稳态响应振幅的稳定性。利用数值结果给出不同参数下,如非线性系数、激励振幅与黏弹性阻尼等对稳态幅频响应及稳定性影响。     

离心泵流体激励力的研究：蜗壳部分

研究了叶轮转动过程中离心泵蜗壳所受流体激励力。基于CFD计算了离心泵叶轮转动过程中的瞬态内流场,而后积分得出蜗壳内表面三个方向上流体激励合力并进行频谱分析,最后运用九次多项式拟合、傅立叶级数与分段多项式拟合分别建立叶轮单周转动各向流体合力数学模型。结果表明：蜗壳所受出口方向、进口方向与垂直于进出口方向的流体激励力以叶片通过频率为基频波动,且波动幅值依次减小,波谷均出现于叶片通过蜗舌时;采用三段多项式拟合所建的数学模型与原始波形有最小的偏差,并且具有较低阶次     

非循环对称力作用下离心叶轮的谐响应分析

为研究流场中离心叶轮受气流激振的受迫振动问题,利用叶盘结构的循环对称性编制计算程序,实现了使用循环对称模型进行非循环对称力作用下离心叶轮的谐响应分析。针对空间周期性的来流条件,由各扇区所受周期激励的相位差建立载荷向量,然后根据按扇区展开的叶轮各节径模态的振型数据,建立模态坐标系下的谐响应运动方程,计算得到叶轮的谐响应位移;以一半开式径向叶轮为例,进行了叶盘结构在气动力非循环对称分布情况下的谐响应分析。循环对称模型与整体模型计算的位移响应结果符合较好,两个共振点附近激振频率下的振动响应均呈现出较高的幅值,表明了算法的正确性和预测气流激励导致共振的有效性。     

离心泵转子动力学模型中流体力的简化

采用叶轮流体力的简化方式可以提高离心泵流体激励诱发振动的计算的准确程度。根据达朗伯原理对试验台架建立了包含离心泵基座的四圆盘三轴段转子动力学模型;将流体力分别简化为叶轮内20 %流体质量、40 %流体质量、CFD集中力与力矩,采用Newmark-隐式算法对转子动力学模型进行瞬态响应分析。结果表明,将叶轮上流体力简化为CFD;所得集中力与力矩时;可有效得出离心泵运转过程中流体激励所诱发的基座振动。而所获得的基座振动位移与加速度幅值均远大于将流体力简化为叶轮内20 %或40 %流体质量所获得的基座振动数值。另一方面,将流体力简化为叶轮内40 %流体质量所获得的基座振动大于简化为叶轮内20 %流体质量所获得的基座振动。     

叶轮时序对多级泵振动特性影响的试验测试

叶轮时序效应对于旋转机械的振动性能有着重要的影响。以实验测试研究了叶轮时序效应对一台五级离心泵振动特性的影响。采用正交设计方法设计了8个实验方案,在多级泵5个不同位置进行振动特性的测量,包括进口轴向、进口出口的水平和垂直方向。结果表明,时序效应对多级泵水平方向上振动的影响大于垂直方向上振动的影响,所有测点的振动谐频都位于1×fn、2×fn、3×fn和4×fn。叶轮时序效应对每个谐频幅值都存在重要的影响,在不同的方案下,1×fn、2×fn、3×fn和4×fn上幅值的最大变化可达17.7%、10.0%、33.2%和47.4%。对比各方案,发现调整第二和第三泵级叶轮的时序位置,可以获得较好的整泵振动特性。     

转子径长比对凸轮泵性能影响的数值模拟与试验

为了揭示径长比对凸轮泵性能参数的影响规律,建立不同径长比与凸轮泵特性曲线之间的定量关系,并获得轴系径向载荷分布特性,从而为凸轮泵轴系强度计算提供依据。基于FLUENT动网格技术和RNG k-ε湍流模型对凸轮泵进行三维瞬态流场数值计算,比较了6种不同径长比凸轮泵的流量特性。结果表明:径长比对凸轮泵性能有显著的影响,随着转子径长比的逐渐增大,凸轮泵出口流量脉动呈逐渐下降的趋势,且出口流量值先增大后减小;转子所受径向力的大小和方向均随转子转动呈周期性变化,且大小随径长比的增大而减小,随泵出口压力的增大而增大。数值计算表明当转子径长比α取值为0.7~1.3时,泵出口平均流量达到峰值区,同时泵出口流量脉动幅值最低,转子受力较好。研究结论为凸轮泵转子径长比的选择提供了理论依据。     

Investigation on Axial Displacement Fault Mechanism Based on Dynamic Characteristic Coefficients Identification of Tilting-Pad Thrust Bearing

To prevent the thrust bearing damage faults, the thrust bearing pad temperature and the static axial displacement variation are usually monitored and cared about, but axial vibration caused by axial dynamic excitation can also result in the severe rubbing. An electric oil pump system with overflow valve is designed on a similar industrial centrifugal compressor test-rig to apply the axial low-frequency excitation from 3 to 7 Hz, and the axial and radial vibration response amplitudes are analyzed. Then, the stiffness and damping coefficients of tilting-pad thrust bearing (TPTB) are identified by instrumental variable filter (IVF) algorithm to reveal the mechanism of TPTB dynamic characteristics affecting axial vibration. Finally, a fault case about surge and the rubbing of thrust bearing is studied. Compared with axial vibration, radial vibration does not directly correlate to axial excitation, and the axial frequency spectrum is an effective method to diagnose axial displacement faults; the static axial load, the dynamic excitation amplitude and the excitation frequency all exert influence on thrust bearing dynamic characteristics and axial vibration response. The research results can guide the design of thrust bearings and help to diagnose the axial displacement faults, while the test device and method can be used to measure the static and dynamic characteristics of thrust bearings.     

预紧力与粗糙度对拉杆弯曲振动特性影响的研究

微小型涡喷发动机的离心叶轮轴向长度相比转轴长度不可忽略,可将其看作拉杆转子结构。为研究该拉杆转子结构的弯曲振动特性,建立了包含连接面的简支梁数学模型,应用结合面接触分形理论,推导了预紧力、粗糙度对拉杆弯曲振动特性的数学关系。通过算例研究,得出了预紧力、粗糙度对拉杆弯曲振动特性的影响趋势。结果表明:连接面所需的最小预紧力随着粗糙度的增加呈指数增长;仅考虑连接面刚度变化的情况下,拉杆固有频率与对数坐标下的预紧力之间呈S型曲线关系,粗糙度值越大,S曲线的潜伏期越长;同时考虑预紧力对连接面刚度和拉杆抗弯刚度的影响,当粗糙度较小时,拉杆固有频率随预紧力上升而上升;粗糙度较大或预紧力较大时,拉杆固有频率随预紧力上升而下降。     

叶轮空蚀状态下离心泵振动特性分析

空蚀是指空化过程中产生的空泡溃灭引起过流表面材料损坏的现象。为研究离心泵叶轮空蚀后的振动信号特征,选用IS-50-160-00单级单吸离心泵为试验对象,基于虚拟仪器技术搭建试验泵系统。测得离心泵空蚀条件下的振动信号,采用均方根(RMS)分析、峭度(K)分析两种统计方法对发生空蚀后的离心泵振动信号的平均能量、冲击波能量进行分析,采用短时傅里叶变换(STFT)分析了振动信号的时频域特性。分析结果表明:空蚀条件下整体来看基座方向和轴向方向振动幅值较大且都是无规则振动,而横向方向和纵向方向上的振动信号振幅相对较小;振动信号的能量随着流量的增大呈现先减小后平稳再增加的趋势,空蚀增加了振动信号的能量值;空蚀加剧了液体对离心泵的冲击使得振动信号峭度值增加,且基座方向峭度值大于3可作为空蚀故障的诊断参考标准;通过时频谱分析可知空蚀发生后流体可能对离心泵存在冲击波及冲击波导致的脉冲信号,且空蚀后产生了高频振动信号,高频带的振动信号可为离心泵空蚀故障诊断提供参考。研究叶轮空蚀后离心泵振动信号的特征有助于及时发现离心泵空蚀故障的发生,从而调整运行参数,以免造成严重后果。     

高速透平发电机自动降速故障试验研究

对高速透平发电机在驱动气流量不减少的情况下发生的自动降速现象进行了理论分析及试验研究。应用计算流体力学软件FLUENT对机身内部流场的压力分布进行定量分析,并对转子系统所受轴向力进行定性分析。通过时间三维谱图、轴心轨迹、频谱分析等非线性振动分析方法分析自动降速现象的特征及发展过程。试验分析表明,轴向力的变化引起转子发生轴向位移,进而导致轴向碰摩,引起高速透平发电机发生自动降速现象。     

基于Hilbert-Huang变换的轴流泵流动诱导振动试验

对不同叶片角度下轴流泵站机组正常运行和开机状态进行振动试验,对比分析振动信号特征,探寻叶片角度在正常运行和开机状态下对机组振动的影响规律,为保证机组安全稳定运行提供参考。得到以下结论:正常运行工况下,随叶片角度从-8°增大到+8°,外筒体和下机架的振动幅值整体表现出逐渐升高的趋势,主轴摆度的幅值基本不变,满足无限制长期运行要求;沿来流方向监测的振动信号主要频率成分包括2.5 Hz和10 Hz;垂直来流方向及轴向的振动信号主要频率成分包括2.5 Hz,10 Hz和20 Hz,与水泵的转频2.5 Hz成倍数关系;随着叶片角度从2°增大到8°,部分测点振动峰峰值逐渐超出50μm,进入C区域,说明水泵不宜在大角度下长期持续运行。     

特种结构物内爆炸动力响应分析

本文从分析炸冲击波在障碍物上的反射开始,详细分析了结构物内部冲击波荷载的作用规律,给出了作用在具有球形顶壳的圆柱形建筑物侧壁和球形顶壳上的冲击波压力表达式,并通过经典弹性理论,假设结构材料是各项异性弹性材料,推导出了建筑物侧壁的轴向径向振动的计算表达式,计算得到了侧墙位移和内力曲线。计算表明：侧墙轴向位移最大,侧墙中间的某一位置径向位移和环向力 取得最大值,而侧墙下部弯矩 剪力 和法向内力 达到最大值。