转子系统不对中问题的研究进展

转子系统的不对中问题在旋转机械中非常普遍,是引起严重整机振动的主要原因之一.特别地,以先进涡扇发动机转子系统为代表的带有弹性支承、内外布置的多转子系统,其动力学特性具有特殊性,不对中的理论问题与工程需求十分突出.本文首先针对两类不对中问题(联轴器不对中和支点不对中),评述了目前不对中建模方法、不对中转子系统的动力学和振动特性方面的代表性研究成果.其次,针对航空发动机转子系统,详细综述了目前已有的套齿联轴器、弹性支承组件的动力学研究成果.在此基础上,作者针对其具体结构特征,进行了航空发动机转子系统不对中成因与模式分类,初步建立了联轴器不对中和支点不对中的转子系统动力学模型并进行了振动特性分析.     

锥齿轮传动系统的非线性动力学行为

主要研究了锥齿轮传动转子系统的非线性动力学行为.在滑动轴承或挤压油膜阻尼器中,油膜力是齿轮传动转子系统非线性的一个重要来源,并且与轴承的结构参数、转子的转速和作用力等多个因素有关.首先在刚性转子、齿轮不脱啮等假设条件下,考虑了锥齿轮间的广义位移约束关系,建立在非线性油膜力作用下锥齿轮传动的多转子耦合系统动力学模型.由于油膜力具有强非线性特性,因此采用数值分析方法,结合系统的稳态响应、Poincaré映射和分叉图等多种手段分析系统的动力学行为.通过初步研究得到如下结论:对于不平衡锥齿轮传动的转子系统,在低转速时转子轴心的运动与转速同步;随着转速的增加系统出现2倍周期运动等复杂的分叉现象.这些振动特征可以为这类系统的动力学设计、结构参数优化和运动状态监测等提供必要的理论依据.     

滚动转子压缩机转子组合结构振动特性分析与测试

为了避免压缩机转子系统在工作过程中的振动超标,需要对其开展系统化的动态优化设计,包括压缩机转子乃至整机的振动特性测试以及利用转子动力学对其建模与分析.本文以转子系统组合件(泵组件+外壳组件)为研究对象,首先创建了压缩机转子系统三维实体有限元分析模型.进一步,对转子系统的固有特性进行了分析,获得了前5阶固有频率与模态振型.最后,对该滚动转子压缩机进行了动力学实验,校验了上述分析模型的合理性.本文的研究可为压缩机系统的减振与降噪提供技术参考.     

带有星型齿轮传动结构的转子系统不平衡耦合振动分析

齿轮传动风扇发动机(GTF)的低压转子系统由于带有星型齿轮传动结构,使得其具有有别于传统发动机的动力学特性,因此由于这种齿轮柔性转子耦合系统而产生的振动问题更为复杂.本文基于该低压转子的结构特点,建立了具有星型齿轮传动结构的三支点转子系统有限元模型,通过对高速转子轮盘施加偏心质量,研究不平衡矢量激励下转子系统的耦合振动特性,并进行了相关试验分析.结果表明：在双盘不平衡激励下,由于不平衡之间耦合效应,转子系统各轴段均存在振动减弱的情况.并且与中心齿轮相比,环形齿圈与游星齿轮之间的啮合力更大,且受不平衡初始相位的影响更显著.此外,当相位差为180°时,不平衡对转子系统的危害较大.     

滚动轴承-转子系统支承松动时的复杂运动研究

基于转子动力学、Hertz理论和非线性动力学理论,针对一端支座松动的滚动轴承-转子系统的运动特征,考虑了松动间隙的非线性情况,建立了系统的动力学方程．在对转子系统动力学方程进行数值积分之后,通过分叉图、庞加莱图、相图和关联维数等显示了转子系统随转速变化和松动间隙的扩展会出现复杂动力学现象,并且研究了滚动轴承-转子系统在支承松动时的分岔和混沌运动及其变化规律,得出了有工程价值的结论,这些结论可为该类故障的诊断提供参考．     

不对中联轴器 柔性转子系统非线性动力学行为

主要研究了在滑动轴承支承下转子间具有平行不对中故障的柔性联转子系统非线性动力学行为.首先,在考虑到联轴器的连接刚度后,基于两转子间运动的几何关系和位移约束条件推导了在非线性油膜力作用下平行不对中转子系统的动力学模型,理论分析表明该系统是一个含有时变系数和强非线性特征的11自由度非自治系统.然后采用数值方法重点分析了系统的非线性振动特性,例如,系统的轴心轨迹、频谱相应,Poincaré截面等.结果表明:在较低转速时,转子的涡动轨迹在较小的范围内作同步振荡;随着转速的提高,系统出现倍周期分叉现象,以及准周期、混沌运动等复杂的非线性动力学行为.最后讨论了联轴器的连接刚度对系统运动特性的影响.     

轴承预紧力对转子系统静动态特性的影响

轴承预紧力的大小直接影响到滚动轴承-转子系统的静动态特性. 综合考虑离心力和陀螺力矩效应,在Romax软件中建立了5自由度轴承-转子系统动力学模型,分析了预紧力对轴承刚度、工作接触角以及工作寿命的影响,并搭建了轴承 转子系统试验台做验证试验. 在不同轴承预紧力下,分别研究了轴承刚度、工作接触角、工作寿命、静载荷作用下轴承 转子系统的静变形以及动不平衡载荷作用下主轴系统的振动响应等,并在轴承-转子试验台上进行试验验证,得到了轴承预紧力与这些因素的关系曲线. 在此基础上,研究了预紧力对转子系统固有频率的影响,结果表明加大预紧力有助于提高系统的固有频率. 研究结果可为轴承-转子系统的设计与分析提供理论参考.     

汽轮机转子碰摩热弯曲动力特性研究

本文简化了汽轮机转子模型,并根据转子碰摩理论建立了一种简单的求解碰摩截面热分布的计算模型,使得碰摩截面热分布的计算大大简化.依据转子动力学理论推导了本模型的运动方程,并作无量纲化以便于MATLAB数值求解收敛,最终建立了转子系统由摩擦引起的弹性热弯曲——碰摩耦合故障动力模型.利用四阶Runge-Kutta方法求解微分方程组得到了在不平衡力、碰摩力和碰摩热弯矩耦合作用下转子系统的响应,并对低于、接近和高于临界转速下碰摩热弯曲转子的动力学特性进行了数值仿真研究,包括时域、频谱、轴心轨迹以及碰摩力的变化.结果表明,转子在低于和接近临界转速运行发生碰摩,转子的振动由平稳状态逐渐发散,而在高于临界转速发生碰摩时转子的振动会逐渐减小.     

弹性环挤压油膜阻尼器支撑下的柔性转子系统动力学分析

弹性环挤压油膜阻尼器(Elastic ring squeeze film damper, ERSFD)具有良好的支撑作用和减振效果,但由于其结构和流场耦合行为极为复杂,使得已有的物理模型难以完整表现出ERSFD的力学特性.为了进一步探究ERSFD的力学机理,本文借助有限元仿真平台,采用双向流固耦合的计算方法,剖析弹性环与油膜之间的相互作用,获取ERSFD中油膜压力的分布规律.在此基础上,利用最小二乘法进一步拟合出ERSFD等效刚度、等效阻尼与转子轴颈扰动位移的映射关系,并将其分别引入柔性转子系统动力学模型中.通过数值计算研究了ERSFD支撑下柔性转子系统的振动响应,分别给出了不同转速下转子系统的响应分岔图、轴心轨迹等.同时,通过对比分析,进一步揭示了ERSFD所诱发出的转子系统丰富的非线性动力学行为,有助于对ERSFD轴承支撑特性的理解.     

滚动轴承-柔性碰摩转子系统非线性动力学响应分析

针对现有轴承-转子系统动力学模型的不足,考虑非线性滚动轴承力、不平衡量、碰摩故障及陀螺效应,建立了滚动轴承-柔性对称碰摩转子系统非线性集中质量模型.通过数值计算与比较,结果表明:低转速下系统响应主要表现为滚动轴承的变刚度振动,高转速下轴承变刚度振动的影响相对减弱,转子不平衡和碰摩故障对系统的影响逐渐增强,陀螺效应对高转速下对称转子的响应不容忽略.     

直升机旋翼锥体与动平衡主动调节技术

针对直升机桨叶质量、气动条件等不平衡引起的旋翼低频振动过大的问题,提出一种以旋翼锥体为约束、仅通过调整桨叶变距拉杆的主动减振技术.该技术在建立的桨叶挥舞摆振扭转耦合的动力学模型基础上,使用最小二乘辨识方法估计振动频域分量和变距拉杆位移之间的线性模型,从而构造并求解以旋翼锥体为约束条件、低频振动分量为控制目标的二次型性能指标函数,同时将该算法用Simulink模块实现,进行实时化仿真计算,并验证控制结果的有效性.结果表明：该算法约束旋翼锥体的同时能够降低旋翼80%以上的低频振动,而且对桨毂中心升力、扭矩等的影响在0.3%以内,并未对直升机其他动力响应产生不良影响,结合Simulink模型的实时化仿真为直升机锥体和动平衡调整提供了一种工程应用思路.     

工程结构多刚度尺度分析与模态理论

当前工程结构设计大多基于成熟的线性振动理论,未综合考虑非线性、多尺度等特性的影响,导致各类工程振动问题频发,减振措施失效.首先,本文以质量弹簧系统为例,对系统刚度比和质量比等关键参数开展分析,指出刚度比对系统模态具有显著影响;再者,简述大跨桥梁动力学研究现状,从系统全局动力学角度,根据非线性动力学分析和有限元分析,提出工程结构多刚度尺度概念,分析并指出多刚度尺度耦合系统的全局模态、局部模态和混合模态基于不同刚度尺度的定义.为建立桥梁全局动力学模型和理论,桥梁非线性动力学研究奠定基础.     

航空发动机转子系统的动态响应计算

利用有限元方法建立了航空发动机双转子系统耦合非线性动力学模型,采用MATLAB计算了系统的临界转速和振型;研究了双转子结构的稳态不平衡响应,给出了双转子-机匣系统在不同转速下的运动规律,为工程中双转子系统的设计提供了一定的理论支持.     

Research on the directionality of end dynamic compliance dominated by milling robot body structure and milling vibration suppression

The end dynamic characteristics dominated by the milling robot's body structure play a crucial role in vibration control and chatter avoidance in robotic milling. As the excitation source, the milling force may exist in any direction under different process parameters. Consequently, investigating the directional distribution of the end dynamic characteristics becomes essential for studying the direction-dependent dynamic response of a milling robot. In this paper, firstly, the directionality of the end modal vibration is proved based on the body structure mode shape of the milling robot. Subsequently, combined with the multi-body dynamics model of milling robots, the distribution of the end dynamic compliance with the excitation direction in the robot mode is modeled and found to be double-sphere, which is verified experimentally. A convenient method for acquiring the double-sphere dynamic compliance (DSDC) is given and its portability is shown. Then, two application cases of the DSDC in milling vibration suppression are given. In Case 1, based on the DSDC, the milling vibration amplitude is found to be distributed as an eccentric ellipse with a non-orthogonal basis with the feed angle in a robot mode, wherein a feed direction selection method for reducing milling vibration without traversal calculation is given with experimental validation. Case 2 shows that according to the guidance of the DSDC, the tuned mass damper can significantly suppress the milling vibration. It is worth noting that the directionality of the end modal vibration and DSDC constitute fundamental dynamic properties of milling robots, which may provide a new theoretical basis for the research related to the robotic end dynamic characteristics (such as frequency response function identification, mode coupling chatter mechanism and its suppression, etc.), which are well worth exploring.     

含齿式联轴器的单盘转子系统耦合故障分

为研究转子系统在不平衡-不对中耦合故障作用下的动力学特征,建立了转子-滚动轴承耦合系统动力学模型.其中,考虑齿式联轴器平行不对中问题,且刚性转盘的质心和形心不同心.通过Lagrange方法推导出系统的动力学方程,并采用数值分析的方式分别分析了联轴器不对中程度、不同的联轴器参与振动的质量大小以及不同的支承条件等对转子系统动力学特性的影响规律.计算结果表明：由于不对中故障的存在,当转子系统运行的转速达到临界转速二分之一时,转盘的横向振动位移明显增大,即不对中量会使系统在二分之一临界转速处产生一个不稳定区域;当采用滚动轴承支承时,随着不对中程度的加剧,上述不稳定区域内转子的最大振幅所对应的转速逐渐增大,而采用线性支承时,尚未出现此类现象;随着联轴器参与不对中故障的质量的增加,系统的振动越来越剧烈.     

滚动轴承支承下松动-裂纹耦合故障转子系统动力学特性分析

支座松动转子因两端刚度不对称而引发振动异常增大,进而可能导致转子出现裂纹故障,裂纹和松动故障耦合下的转子系统呈现强非线性特性.建立滚动轴承支承的支座松动-弓形裂纹转子动力学模型,研究转速、松动间隙、松动质量及裂纹角等对转子系统非线性动力学响应的影响.考虑非线性Hertz接触力,采用分段线性方程描述支座松动的刚度和阻尼,转子横向裂纹采用呼吸裂纹模型来研究,依据拉格朗日方程建立转子系统动力学方程,采用Runge Kutta法求解方程获得转子振动响应的分岔图、频谱图、轴心轨迹图、Poincaré图等.计算结果表明,当系统转速达到2300rad/s时,松动-裂纹耦合故障系统较仅裂纹系统在1/3分频处有明显的间谐波成分,混沌区域更为宽泛;当裂纹参数恒定时系统随着松动间隙减小会更加稳定;当松动质量ms＞41.25kg时,系统振幅剧增,发生“跳跃”现象.研究工作对松动-裂纹转子系统的故障诊断和健康监测具有重要的工程应用价值.     

相交轴转子系统当量化建模与扭振响应分析

齿轮联结的相交轴转子系统具有转子不同体、不同速、不同轴线等结构特点,使其动力学建模异于常规转子系统,论文采用当量化建模方法,将相交轴转子系统转化为同转速、同轴线的转子系统并建立动力学模型,通过与已有研究对比验证了文中基于DyRoBeS当量化建模方法的有效性.以相交轴齿轮联结转子系统典型结构——某型直升机尾传动系统为研究对象,建立了当量化转子系统动力学模型,分析了系统各阶扭振临界转速及其组成、联结齿轮啮合刚度对扭振的影响、联结齿轮转动惯量对系统临界转速的影响,结果表明:传动系统第1、2阶临界转速为派生临界转速,其余8阶均源于各组成轴;中、尾减啮合刚度值与扭振的各阶共振峰值存在映射关系,部分啮合刚度值会激发共振极大值,应尽量避免;中、尾减啮合刚度变化会引发系统临界转速的变化,尤其是第1、2阶临界转速;不同阶临界转速对各个联结齿轮转动惯量的敏感性亦不同.论文从转子动力学角度研究了齿轮联结的相交轴转子系统的动力学特性,可为此类转子系统的结构优化设计及运行维护提供理论依据.     

航空发动机转子弹性支承动应力测试技术

对带弹性支承航空发动机转子的一种振动测试技术进行了研究,阐述了利用电阻应变电测法通过在转子鼠笼式弹性支承的弹条根部粘贴应变计进行动应力测试,从而获取转子振动信号的测试原理和测试方法.通过弹性支承动应力测试技术在转子动力特性试验和转子故障诊断中的应用,论证了该测试技术是转子振动测试的一种有效方式,得出了弹性支承动应力测试技术不仅能作为航空发动机带弹性支承转子动特性的常规测试手段,亦能为转子系统故障诊断提供故障识别依据.     

大型挤压油膜阻尼器非线性动力学分析与优化研究进展

挤压油膜阻尼器（Squeeze Film Dampers,SFDs）是旋转机械中常用的一类支承阻尼结构装置,能够改善转子系统的动力特性.当前工程实际中已经大量使用的两类不同结构形式的挤压油膜阻尼器,仍然存在着减振效果不稳定甚至会导致转子失稳,以及阻尼器动力学机制不清楚、建模和分析精度差、设计方法欠缺等理论技术难题.本文首先介绍两类典型SFD的结构形式和主要失效模式,然后详细叙述SFD动力学分析与优化设计方法在发展过程中的代表性研究成果,涉及SFD动力学特性、转子 SFD系统动力学特性研究、SFD动力学设计与优化等几个方面的研究,并对SFD的试验测试技术方面的成果进行评述.在此基础上,探讨目前先进航空发动机用大型挤压油膜阻尼器亟须开展的基础研究任务,特别强调了数据驱动与动力学解析模型融合的SFD动力学建模、分析与设计优化的发展方向.