含齿式联轴器的单盘转子系统耦合故障分析

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.     

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.     

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.     

航空发动机高压转子-滚动轴承系统非线性动力响应分析

基于有限元方法建立了航空发动机高压转子 滚动轴承系统的高维动力学模型,该模型考虑滚动轴承的非线性支撑力,转子的剪切变形、陀螺力矩和转动惯量.利用自适应步长Newmark-β方法计算了转子随转速变化的不平衡响应,得到了不同转速区间转子的振动特征.针对低转速区出现的VC(Varying Compliance)振动现象,计算分析了不同转速下转子不平衡量、轴承游隙对VC振动幅值的影响.结果表明：随着转速的升高,VC振动幅值先减小再增大,之后再减小直至基本消失;增大轴承游隙会使转子VC振动幅值增大,而转子VC振动幅值对不平衡量的变化并不敏感.     

转子动力学研究进展

本文简要回顾了转子动力学的发展历程,指出了转子动力学的研究对象,如以汽轮发电机、燃气轮机、离心/轴流压缩机和航空发动机等大型装备为代表的复杂转子系统;主要研究内容涉及转子系统动力学建模、临界转速和振动响应计算、柔性转子动平衡技术、支承转子的各类轴承动力学特性、转子系统动力稳定性、转子系统非线性动力学、转子系统振动故障及其诊断技术、转子系统振动控制和多场耦合激励下转子系统振动,如机电耦合振动等.未来的研究主要聚焦在转静子系统耦合振动,基于大数据的转子系统智能诊断和考虑新材料、新结构的转子系统振动控制技术等方面.     

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.     

转子-联轴器-轴承-隔振器系统不对中及锁频故障实验研究

通过搭建转子-联轴器-轴承-隔振器系统实验台来模拟舰船主汽轮齿轮机组及其隔振系统,并通过轴承标高调节装置和不平衡质量来模拟实际机组运行过程中的不对中故障,分别研究了静、动态不对中和低频锁定故障的特征,并给出了解决途径．实验研究结果表明,对于含有隔振器的转子-联轴器-轴承系统,静态不对中和不平衡力等引起的动态不对中都会激起2倍频振动;在转速达到隔振系统的固有频率以后,系统有两个主要的振动频率：基频和被锁定的低频,说明系统出现结构不稳定性,发生概周期分岔,锁频故障会严重威胁转子系统的安全稳定运行．研究结果可以为舰船主汽轮齿轮机组及其隔振系统的不对中和锁频故障诊断以及稳定性理论分析提供实践依据．     

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．     

机匣参数对双转子航空发动机整机动力学特性的影响分析

以某航空发动机带机匣双转子试验器为参考,分别采用截锥壳元素法和Timoshenko梁理论对其机匣和双转子系统进行了有限元建模,得到了试验器的整机有限元模型.研究了机匣参数对双转子航空发动机整机动力学特性的影响.研究结果表明:随机匣-转子质量比的增大,机匣的振动先减小后增大,从优化整机振动响应角度出发存在最佳质量比,当机匣-转子质量比约等于0.45时,整机系统的振动最小;采用不同材料的机匣对整机系统的临界转速影响不大,但对整机系统振动具有一定影响,当机匣采用合金钢时,整机系统的振动最小,采用铝合金时,整机系统的振动最大.     

具有轴承不对中的多跨柔性转子系统非线性动力学研究

主要研究了具有不对中轴承支承的柔性多转子耦合系统的动力学建模和非线性动力学行为.首先在短轴承假设、小轴承的不对中量和圆盘不平衡量等几个基本假设条件下,考虑了转子的柔度、不对中轴承的非线性油膜力和圆盘的不平衡等因素后,建立了一个具有轴承不对中的10自由度多跨转子系统非线性动力学模型；最后采用数值方法研究了系统的非线性动力...     

转子-轴承系统中滚动球轴承的非线性动力学相似特性研究

针对转子—轴承系统中滚动球轴承的动力学相似问题,提出一种考虑非线性振动特性的轴承系统相似模型建立方法.首先,建立滚动球轴承整体的非线性振动微分方程,运用积分模拟法推导了轴承整体的非线性振动特性相似关系,并结合滚动球轴承的动力学相似关系得到滚动球轴承系统的相似设计准则;其次,应用所得的相似准则,以深沟球轴承C204JUT为原型、6208为模型进行数值仿真实例计算,通过采用Newmark-β算法计算得到的分叉图分析了转速ω、径向载荷F_r、阻尼C及径向游隙γ大小对原型和模型轴承系统振动位移或速度响应的影响;最后,通过对比原型和模型的各参数(ω、F_r、C、γ)分叉图中分叉区间、趋于稳定运动参数值大小以及进入稳定周期运动时的稳态响应值大小验证相似准则的准确性和有效性.通过分析得到以下结论:1滚动球轴承非线性振动特性参数(如振动响应、结构阻尼等)相似关系可由轴承结构参数相似关系确定;2原型与模型非线性运动的分叉图形状一致,且模型能够很好的预测原型稳态振动响应,因此可将模型轴承用来预测原型轴承的非线性振动行为.     

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.     

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.     

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.