浮环轴向长度对高速轻载涡轮增压器转子系统振动特性影响研究

浮环轴承内外轴向长度结构参数会影响油膜压力分布与偏心率,产生显著分频振动而引发高速轻载涡轮增压器转子非线性振动故障。基于流体润滑理论和浮环力矩平衡方程,推导了含浮环轴承的涡轮增压器转子系统动力学方程,揭示浮环轴承轴向长度与转子系统振动响应之间的关系。以某型汽油机用涡轮增压器转子系统为例,分析浮环内、外轴向长度对轴承油膜压力、偏心率等动力特性的影响,构建转子系统动力学有限元模型,通过三维振动瀑布图研究不同浮环轴向长度下转子系统频域瞬态振动响应,结果表明：浮环内轴向长度从2.6增加到4.6 mm,导致浮环转速升高,最大内油膜压力减小,轴颈偏心率降低,分频幅值增加且出现分频的轴颈转速由142 kr/min降至76 kr/min,更易产生明显的非线性涡动现象;浮环外轴向长度从3.6增加到6.15 mm,使浮环转速降低,最大外油膜压力变小,浮环偏心率及轴颈相对浮环的偏心率减小,低转速下分频幅值减少且出现分频的轴颈转速由10 kr/min升至22 kr/min,可抑制转子系统过早发生非线性涡动,为浮环轴承结构参数设计与试验提供理论支撑。     

考虑轴承热弹变形的增压器转子临界转速分析

针对不同入口油温下浮环轴承因受热变形而改变涡轮增压器转子系统振动特性的问题,提出从浮环轴承的热弹性变形角度研究高速涡轮增压器转子系统的临界转速变化规律.首先,实验测量3种典型入口油温下浮环轴承处的温度,基于热固耦合分析得到浮环轴承热弹性变形后轴承的内外间隙值,发现随着入口油温从20℃增加到70℃和120℃,内油膜间隙分...     

考虑热效应的涡轮增压器浮环轴承动态特性研究

以流体润滑为基础,考虑热效应对油膜黏度的影响,研究涡轮增压器浮环轴承的动态特性,利用DyRoBesBeperf软件建立涡轮增压器浮环轴承的参数化模型,在环速比一定时分析浮环轴承内外油膜压力的分布,以及偏心率、油膜的刚度、阻尼随转速的变化规律。研究表明:在浮环轴承结构参数及载荷一定的情况下,随转子转速的增加,其偏心率下降,Sommerfeld数和功耗均增大,且内油膜的Sommerfeld数、功耗大于外油膜的Sommerfeld数及功耗,因此内油膜承载力大于外油膜承载力;因偏心率随转速的增大而减小,因此油膜等效刚度和等效阻尼下降。     

考虑涡动工况的高速滚动轴承打滑失效分析

打滑蹭伤是高速轻载滚动轴承经常发生的故障。在滚动轴承支承的高速转子系统中,常采用挤压油膜阻尼器(Squeeze film damper,SFD)来降低转子在超过临界转速时所产生的振动和噪声。挤压油膜阻尼器的存在对滚动轴承的打滑蹭伤必会产生影响,需要深入分析其影响机理以保障系统工作的可靠性。SFD通常是利用轴承在SFD结构中涡动来衰减振动。在基于轴承涡动轨迹假设基础上,建立涡动工况下的轴承滚动体运动学及动力学模型,分析不同外载荷、涡动半径、涡动频率等因素对轴承打滑的影响机理,完成挤压油膜阻尼器轴承的打滑失效分析。结果表明,在挤压油膜阻尼器轴承中,涡动的存在会对轴承的打滑产生不利影响;涡动的存在使得轴承的最小膜厚随时间振荡;增大外载荷、减小涡动频率和涡动半径都能改善轴承的运行工况。     

滑动轴承油膜振荡故障诊断及在线消除

阐述滑动轴承油膜涡动和油膜振荡的机制,通过实验运用振动分析软件给出不同间隙时轴承油膜涡动和油膜振荡的特征,找出影响轴承产生油膜涡动和油膜振荡因素,提出了防止油膜涡动及油膜振荡的措施,给出一种油膜涡动和油膜振荡在线消除方法.分析表明,防止油膜涡动及油膜振荡的措施有:提高轴的临界转速,减小轴承长度,增大轴承偏心率以及调节润滑油的供给量等.其中调节润滑油的供给量是一种可尝试的实现油膜振荡在线消除有效方法.     

入口油温偏低导致的机组油膜涡动故障的特征分析

对大机组因润滑油入口温度偏低导致的电机轴承油膜涡动故障实例的系统特征进行了分析。结果表明，润滑油入口油温偏低产生的油膜涡动在电机不同轴承上响应形式不同。不同测点的波形形状、振动峰值、谐波分量均不相同。共同特征是幅值谱中出现约0．4倍频分量且其模值大于1X分量模值和1X分量模值变化不大的现象。     

油孔数量对浮环轴承润滑特性的影响

不同油孔数量会改变浮环轴承油膜润滑特性,从而影响转子的振动特性及稳定性。基于流动连续性方程与轴承润滑理论,推导浮环轴承油膜控制方程,揭示油孔数量与浮环轴承润滑特性之间的关系。以某型汽油机用涡轮增压器浮环轴承为例,构建浮环轴承有限元模型,基于计算流体力学方法分析油膜润滑特性,研究不同油孔数量对浮环轴承最大压力、油膜承载力及动力学特性系数的影响。结果表明：浮环油孔数量从2增长到8,内外油膜最大压力、外油膜承载力及油膜动力学特性系数下降,内油膜承载力上升;内油膜承载力在油孔数量为2时随着转速的上升而逐渐下降,在油孔数量为4时无明显变化,在油孔数量为6、8时随着转速的上升而上升;随着转速的上升,油孔对承载力的影响逐渐上升,而对最大压力及动力学特性系数的影响逐渐减小。     

油膜失稳故障的非线性特征分析

以多自由度转子系统为对象，运用模态降阶和变步长的Newmark积分方法分析了油膜力分别按短轴承理论和长轴承理论计算时的非线性振动特征，同时分析了转子不平衡量的大小和转速对轴颈振动的涡动轨迹、频谱及其稳定性的影响。     

转子系统非协调进动在波德图中的响应分析

为了研究带挤压油膜阻尼器的转子系统其非线性振动在Bode图中的响应,建立了挤压油膜阻尼器与转子系统的耦合动力学模型。结合庞加莱图、分岔图、频谱图以及轴心轨迹图等,开展研究。结果表明,转子系统在接近二阶临界转速时,转子振幅明显增加,转子系统进入非协调进动状态,此时在Bode图上表现为"双峰值"现象。通过改变油膜间隙或者滑油粘度,可以改变转子系统非协调进动转速的范围,但是在Bode图上的双峰值现象仍然比较明显。而采用带浮动环的挤压油膜阻尼器,不但可以有效地抑制转子系统的非协调进动响应,而且在Bode图使得转子系统的二阶临界转速处振动幅值明显减小,"双峰值"现象消失。     

单跨度转子柔性碰摩振动特性研究

本文给出了单跨度转子柔性碰摩数学模型并建立起柔性碰摩实验,利用实验对比了转子在无碰摩和有柔性碰摩下的动力学特性。通过实验分析发现在有无柔性碰摩下存在着许多不同的振动特性。发现了柔性碰摩除了提高转子的临界转速外,还能有效降低转子通过临界转速时的振动幅值;有效地抑制油膜涡动的形成和油膜振荡的发生,同时出现了较为明显的高频振动现象。     

Effects of Floating Ring Bearing Manufacturing Tolerance Clearances on the Dynamic Characteristics for Turbocharger

The inner and outer oil film dynamic characteristic coefficients of floating ring bearings(FRBs) change due to the manufacturing tolerance of the floating ring, journal and intermediate, which leads to...     

Effects of semi-floating ring bearing outer clearance on the subsynchronous oscillation of turbocharger rotor

Semi-floating ring bearing(SFRB) is developed to control the vibration of turbocharger rotor. The outer clearance of SFRB affects the magnitude and frequency of nonlinear whirl motion, which is significant for the design of turbocharger. In order to explore the effects of outer clearance, a transient finite element analysis program for rotor and oil film bearing is built and validated by a published experimental case. The nonlinear dynamic behaviors of rotor-SFRB system are simulated. According to the simulation results,two representative subsynchronous oscillations excited by the two bearings respectively are discovered. As the outer clearance of SFRB increases from 24 μm to 60 μm, the low-frequency subsynchronous oscillation experiences three steps, including a strong start, a gradual recession and a combination with the other one. At the same time, the high-frequency subsynchronous oscillation starts to appear gradually, then strengthens, and finally combines. If gravity and unbalance are neglected, the combination will start starts from high rotor speed and extents to low rotor speed, just like a "zipper". It is found from the quantitative analysis that when the outer clearance increases, the vibration amplitude experiences large value firstly, then reduction, and suddenly increasing after combination. A useful design principle of SFRB outer clearance for minimum vibration amplitude is proposed: the outer clearance value should be chosen to keep the frequency of two subsynchronous oscillations clearly separated and their amplitudes close.     

Nonlinear vibration induced by the water-film whirl and whip in a sliding bearing rotor system

Many industrial applications and experiments have shown that sliding bearings often experience fluid film whip due to nonlinear fluid film forces which can cause rotor-stator rub-impact failures. The oil-film whips have attracted many studies while the water-film whips in the water lubricated sliding bearing have been little researched with the mechanism still an open problem. The dynamic fluid film forces in a water sliding bearing are investigated numerically with rotational, whirling and squeezing motions of the journal using a nonlinear model to identify the relationships between the three motions. Rotor speed-up and slow-down experiments are then conducted with the rotor system supported by a water lubricated sliding bearing to induce the water-film whirl/whip and verify the relationship. The experimental results show that the vibrations of the journal alternated between increasing and decreasing rather than continuously increasing as the rotational speed increased to twice the first critical speed, which can be explained well by the nonlinear model. The radial growth rate of the whirl motion greatly affects the whirl frequency of the journal and is responsible for the frequency lock in the water-film whip. Further analysis shows that increasing the lubricating water flow rate changes the water-film whirl/whip characteristics, reduces the first critical speed, advances the time when significant water-film whirling motion occurs, and also increases the vibration amplitude at the bearing center which may lead to the rotor-stator rub-impact. The study gives the insight into the water-film whirl and whip in the water lubricated sliding bearing.     

一种研究转子系统油膜震荡频率滞留机理的力学模型

转子系统由油膜涡动发展成油膜震荡的过程已有系统深入的研究结果，但油膜震荡发生后，继续提高转子转速，油膜震荡频率保持不变的频率滞留现象根据现有模型尚未得到合理的解释。在Muszynska模型的基础上，结合油膜震荡的工程特征引入长轴承半油膜近似理论及流速比分段变化假设改进了该模型，并利用改进的模型定量再现了频率滞留现象，从而提出了一种适合于研究油膜震荡频率滞留机理的转子动力学模型。     

瓦块倾角对高速涡轮增压器斜-平面止推轴承油膜温度的影响*

针对高速涡轮增压器运行过程中存在止推轴承烧瓦现象,从最高油膜温度与承载中心区温度两方面分析烧瓦产生原因,讨论了瓦块倾角对油膜温度的影响。以某型车用涡轮增压器止推轴承为例,通过建立不同瓦块倾角参数的斜-平面止推轴承动力学有限元模型,研究瓦块倾角对最高油膜温度、承载区中心温度的影响。结果表明:在研究的转子转速范围内,随着瓦块倾角的增加,瓦块的最高油膜温度和承载中心温度都呈先减小后增大的趋势;存在最佳瓦块倾角,使得轴承在工作转速范围内最高油膜温度和承载中心温度均达到最小值,从而有助于减少轴承烧瓦的可能性。     

200 MW汽轮发电机组转子-轴承系统非线性稳定性研究

将一种降维计算方法应用到大型转子-轴承系统非线性稳定性分析中,提出将计算得到的转子发生油膜振 荡的转速作为判断系统非线性稳定性的准则。针对200 MW汽轮发电机组多跨转子-轴承系统建立了具有608自 由度的非线性振动方程,基于固定界面模态综合法对其降维,使其自由度数降到30,然后采用Newmark逐步积 分法对降维后的系统振动方程进行数值计算,在保证精度的前提下,显著提高了计算分析的效率。利用该降维计 算方法模拟出了油膜振荡现象的典型特征和发生油膜振荡的转速,并着重计算分析了发电机转子前轴承轴颈的失 稳转速随转子的偏心距、轴承长径比、间隙比和润滑油粘度的变化规律,研究结果为定性分析200 MW汽轮发电 机组机转子-轴承系统的稳定性提供了理论依据。     

油孔数目对浮环轴承润滑静特性的影响

以浮环轴承为研究对象，基于多相流理论建立其润滑有限元模型，推导摩擦功耗、内外油膜与所接触的固体元件的温升的解析表达式；利用FLUENT求解器与其自定义函数接口（UDF）对模型进行仿真计算；综合考虑试验条件的局限性，拓展在仿真计算中的轴颈角速度范围，进一步分析宽域润滑工况下浮动环均布的油孔数目对摩擦功耗、温升、浮动环转速、端泄流量等润滑静特性参数的影响。结果表明：浮动环油孔数目的增加会在一定程度上增大轴承内间隙润滑油的注入量；浮动环油孔数目越多，端泄温升越小，内外间隙变形越小，浮动环转速越快；浮动环油孔数目对内外油膜的摩擦功耗和油膜变化率的影响较小，对浮动环转速和内外油膜的端泄流量的影响较大。该研究为浮环轴承的设计和静特性分析提供了可靠的实验依据。     

浮环弹性变形对浮环动静压轴承润滑特性的影响

浮环轴承在高速工况下运行时,浮环表面在油膜压力作用下会发生弹性变形,影响轴承润滑性能。针对带有深浅腔的浮环动静压轴承,采用有限元法和有限差分法耦合求解油膜Reynolds方程、能量方程和温黏关系式,采用变形矩阵法求解弹性变形方程,计算浮环弹性变形分布;在浮环平衡的基础上,分析浮环变形对环速比、油膜承载力、端泄流量等润滑特性参数的影响。结果表明：浮环弹性变形分布与油膜压力分布呈现一致性,转速越高,偏心越大,变形越明显;考虑浮环弹性变形,浮环达到平衡状态时,内膜偏心率增加,环速比减小,轴承承载力与摩擦力矩均有所增加;由于浮环变形对内、外膜间隙及流动液阻的不同影响,使得内膜端泄流量增加,外膜端泄流量减少。