转子—轴承系统的稳定性,分岔与混沌行为研究

利用修正的短轴承理论模型对转子－轴承系统进行了稳定性、分岔与混沌特性分析。结果表明：系统平衡失稳时产生迟滞超临界Ｈｏｐｆ分岔,由于迟滞的存在,使得迟滞区内系统拓扑结构的等价性在大扰动下可能被被破坏,因此,线性理论无法解释该区段内的动态行为。存在不平衡量时,系统失稳可能产生拟周期分岔、倍周期分岔并可能导致混沌振动。这些结果为控制转子的稳定运行状态提供了依据,为油膜失稳故障的诊断提供了有益的启发。     

碰摩转子-滑动轴承系统的分岔与混沌

以采用短轴承模型的4自由度碰摩转子滑动轴承系统为力学模型，以转子角速度比、无量纲转子质量不平衡量、静子与转子刚度比和静子与转子间的动滑动摩擦因数为参变量，运用数值方法结合Floquet理论，研究系统稳态同步运动的分岔特性．在一定的参数域内得到系统的倍周期分岔和Hopf分岔的分岔参数曲面，证实分岔后混沌运动的存在。研究结果表明：大的静子转子刚度比或大的静子与转子间的动滑动摩擦因数均易于导致系统结构失稳，表现为它们均存在各自的临界值，超过这个临界值后，系统的稳定同步运动参数区域急剧缩小，在原先的稳定同步运动参数区域内将产生包括混沌运动在内的复杂运动。     

考虑螺栓联接结构的轴承-转子系统振动特性分析

针对含螺栓联接结构的轴承-转子系统,建立考虑陀螺力矩及因螺栓预紧力不均匀产生的初始变形量的非线性转子系统动力学模型。采用法求解转子系统运动方程,通过分岔图、时域曲线、频谱及Poincaré映射图研究存在轴承游隙时转子系统的混沌路径,并分析不同初始变形量及轴承游隙对转子系统非线性振动特性的影响,通过试验验证所得结论的准确性。研究表明,当存在轴承游隙时,预紧力不均匀产生的初始变形量增加会抑制低转速下盘的混沌运动,拟周期运动进入混沌运动状态的转速升高,临界转速附近的振动幅值增加,系统混沌路径发生变化;存在初始变形量时,随着轴承径向游隙增大,系统在低转速工作状态下即进入混沌运动运动状态,拟周期运动进入混沌运动状态的转速降低。研究结果可为含螺栓联接结构的轴承-转子系统设计提供理论参考。     

双跨碰摩转子-轴承系统非线性动态响应与混沌

在同时考虑轴承油膜力和碰摩发生时转静件间的相对速度对非线性摩擦力的影响基础上,构造了双跨碰摩弹性转子-轴承系统动力学模型。对系统单盘和双盘碰摩的非线性动力学响应进行了数值仿真研究,发现该类系统在单盘碰摩时进入混沌的道路是倍周期分岔,离开混沌的道路为倍周期倒分岔,混沌运动区域为一体;双盘同时碰摩时,混沌运动区域中出现了2个明显的独立混沌岛。偏心量的增大,会使得系统响应更加不稳定。研究结果为转子-轴承系统故障诊断、动态设计和安全运行提供了理论参考。     

双跨松动—碰摩转子—轴承系统周期运动稳定性

建立带有支承松动—碰摩耦合故障的具有三轴承支承的双跨弹性转子系统的动力学模型,利用求解非线性非自治系统周期解的延拓打靶法和Floquet理论,研究系统周期运动的稳定性及失稳规律。双跨松动转子系统以鞍结分岔形式失稳,双跨碰摩转子系统则以Hopf分岔形式失稳,松动故障对松动—碰摩耦合故障转子—轴承系统稳定性的影响起主要作用,系统以鞍结分岔的形式失稳;在不同转速下,耦合故障转子—轴承系统会出现鞍结分岔、Hopf分岔和倍周期分岔等多种分岔形式。研究结果为有效识别转子—轴承系统的基础松动故障提供一定的参考。     

周向拉杆转子系统非线性动力行为及稳定性

针对周向拉杆转子轴承系统,将拉杆简化为无质量、受预紧的线性弹簧,得到周向拉杆提供的附加刚度矩阵和附加广义力矩;对具有粗糙表面的长方微元体进行有限元接触分析,得到不同载荷作用下的法向和切向界面接触刚度;计入界面接触刚度和周向预紧拉杆的影响,采用受轴向载荷的Timoshenko梁轴有限单元建立周向拉杆转子轴承系统的非线性动力学模型.基于系统的局部非线性特性进行自由度缩减后,运用结合预估-校正机理的Poincaré-Newton-Floquet方法对滑动轴承支承下周向拉杆转子系统的非线性动力特性进行研究,得到不同转速和质量偏心下系统稳态周期解的稳定性边界和分岔形式.结果表明,系统存在同步周期解、准周期解和倍周期解对应的参数区域,随着转速的增加,当质量偏心较小时,周期解发生准周期分岔,当质量偏心较大时,周期解发生倍周期分岔.考虑界面接触刚度后,系统的分岔失稳转速降低;预紧不均时,系统在更低的不平衡量下发生倍周期分岔.     

双跨转子-轴承系统裂纹-碰摩耦合故障的稳定性

建立带有裂纹-碰摩耦合故障的具有三轴承支承的双跨弹性转子系统的动力学模型,利用求解非线性非自治系统周期解的延拓打靶法和Floquet理论,研究系统周期运动的稳定性及失稳规律.双跨裂纹转子系统以倍周期分岔形式失稳,双跨碰摩转子系统以Hopf分岔形式失稳,当裂纹较小时,裂纹-碰摩耦合故障转子-轴承系统以Hopf分岔形式失稳;随着裂纹深度的加大,其影响逐渐显现,系统以倍周期分岔形式失稳,且失稳转速降低;耦合故障转子系统响应谱上存在半倍工频成分的整数倍频率成分.研究结果为转子-轴承系统耦合故障诊断和安全运行提供了参考.     

轴向槽气体轴承-转子非线性系统的动力学行为

针对轴向槽气体轴承支承的转子非线性动力系统,研究了系统动力学行为的不平衡响应和分岔。采用矢量拟合近似求解的方法,建立了轴向槽气体轴承的有理函数模型,通过耦合转子运动模型,提出了一种轴向槽气体轴承-转子非线性系统动力学模型,在对其动力学行为求解过程中避免了对动态气膜力的反复求解,减少了计算时间。运用轴颈和圆盘中心的轨迹图、频谱图、Poincaré映射和分岔图分析了轴向槽气体轴承-转子系统的非线性不平衡响应和分岔行为。以转速为分岔参数研究了非线性系统从倍周期运动通向混沌的道路,以质量偏心为分岔参数研究了非线性系统的倍周期运动的倒分岔行为。数值结果表明轴向槽气体轴承-转子非线性系统存在复杂的动力学现象及分岔行为。     

不平衡磁拉力作用下裂纹转子系统的分岔

针对大型旋转机械转子系统机电耦合具有强非线性特征的问题,根据磁拉力与转子偏心的关系,推导出不平衡磁拉力(Unbalanced magnetic pull,UMP)的解析式,建立UMP作用下裂纹转子—轴承系统的动力学模型,并采用数值积分方法研究此类裂纹转子的分岔与混沌特性.通过分岔图、Poincaré图和频谱幅值图分析UMP和裂纹深度对转子运动的影响,结果表明:UMP使转子系统随速度变化的典型动力学响应有所提前,振幅增大,幅值谱图中出现了连续幅值较大的谐波分量;随着裂纹深度的不断增加,转子系统在亚临界转速区出现了短暂的混沌运动,在临界转速附近的混沌区域不断减小,其混沌特征有所变化,且进入混沌区域的倍周期分岔运动基本消失,而在超临界转速区则出现了较长的周期7运动.研究结果为深入解析机电耦合转子系统故障机理提供有益的理论参考.     

圆柱滚子轴承刚性转子系统周期运动分岔

推导了考虑径向力、力矩联合作用的滚子轴承的非线性轴承力和力矩,建立了圆柱滚子轴承刚性转子系统的四自由度动力学方程,利用求解非线性非自治动力系统周期解的延拓打靶算法进行计算,根据Floquet乘子判断周期运动的分岔.以某滚子轴承刚性转子系统为例,研究了该类转子系统在径向间隙-转速、阻尼-转速、力矩-转速参数域内周期运动的分岔及失稳规律.结果发现:随径向间隙、阻尼和力矩的变化,周期运动将产生倍周期或Hopf分岔,分岔转速随参数变化而改变.其中力矩的存在会明显降低系统的失稳转速,可通过选择合适的结构和工况参数尽量避免滚子轴承转子系统出现非周期运动.     

Nonlinear Dynamic Analysis of a Rigid Rotor Supported By a Spiral-Grooved Opposed-Hemisphere Gas Bearing

The nonlinear dynamic behavior of a rigid rotor supported by a spiral-grooved opposed-hemisphere gas bearing is investigated in this article, focusing particular attention on its whirl motion. The finite element method combined with the finite difference method is employed to solve the time-dependent Reynolds equation that is coupled with the rotor motion considering five degrees of freedom. The rotor responses to the initial disturbance and synchronous and nonsynchronous excitations are investigated. To analyze the complicated dynamic behavior of the rotor–bearing system, the trajectories of the rotor centerline, time responses, phase portraits, power spectra, Poincare maps, and bifurcation diagrams are obtained from the numerical procedure. The results show that the conical whirl instability appears earlier than the cylindrical whirl instability with increasing rotational speed for the rotor–bearing system with no unbalance mass. Moreover, it reveals that the complex dynamic behavior of the system excited by unbalance mass varies with rotational speed and rotor mass. In addition, bifurcation diagrams employing the rotating speed and rotor mass as bifurcation parameters are obtained. Finally, the nonsynchronous excitation responses are presented, which behave in a different way than the synchronous excitation responses. The results of this study offer a further understanding of the nonlinear characteristics of spiral-grooved opposed-hemisphere gas bearings.     

A study of the dynamic characteristics of synchronously controlled hydrodynamic journal bearings

In this paper, synchronous control of bearing is employed through a control algorithm for an actively controlled hydrodynamic journal bearing in order to suppress whirl instability and to reduce the unbalance response of a rotor-bearing system. Furthermore, a cavitation algorithm, implementing the Jakobsson–Floberg–Olsson boundary condition, is adopted to predict cavitation regions in a fluid film more accurately than the conventional analysis, which uses the Reynolds condition. The unbalance responses and stability characteristics of the rotor-bearing system are investigated for various control gains and phase differences between the bearing and journal motion. It is shown that the unbalance responses of the system can be greatly decreased by synchronous control of the bearing. There is an optimum phase difference, which gives the minimum unbalance response of the system at given operating conditions. It is also found that the stability threshold of the system can be greatly increased by synchronous control of the journal bearing.     

滚动轴承-转子系统非线性参数、强迫联合振动

建立考虑非线性轴承力、径向游隙、变柔度等非线性因素和不平衡力的滚动轴承-转子系统动力学方程,并用自适应Runge-Kutta-Felhberg算法对其求解,利用分岔图、Poincaré映射图和频谱图,分析参数、强迫联合激励的滚动轴承-转子系统的响应、分岔和混沌等非线性动力特性.结果表明,滚动轴承-转子系统有多种周期和混沌响应形式,其振动频率不仅有参数振动频率成分和强迫振动频率成分,而且有二者的倍频成分和组合频率成分;随着径向游隙的增大,转子系统的非线性特性增强;不平衡力较小时,系统中参数振动占主导地位,增大不平衡力有利于抑制转子系统的不稳定振动.随不平衡力的增大,强迫振动逐渐增强,大的不平衡力会诱发系统产生混沌振动;转子系统进入混沌的主要途径是倍周期分岔.     

Nonlinear in-plane elastic buckling of shallow circular arches under uniform radial and thermal loading

This paper presents a nonlinear in-plane elastic buckling analysis of circular shallow arches that are subjected both to a uniform temperature field and to a uniform radial load field. A virtual work method is used to establish nonlinear equilibrium equations and buckling equilibrium equations, and analytical solutions for the limit instability and bifurcation buckling loads are obtained. It is found that the temperature influences the limit instability, bifurcation buckling and postbuckling behaviour of shallow arches significantly. The limit instability and bifurcation buckling loads increase with an increase of the temperature. A maximum temperature is shown to exist for the occurrence of bifurcation buckling of shallow arches, and when the temperature is higher than this value, bifurcation buckling of an arch is not possible.An arch geometric parameter is introduced to define switches between the limit instability and bifurcation buckling modes, and between buckling and no buckling. Formulae and methods for the calculation of the limiting values of the arch geometric parameter are developed. It is also found that the limiting values of the arch geometric parameter decrease with an increase of the temperature.     

基于Taylor变换法的转子系统分岔与稳定性研究

对双盘转子系统的非线性动力学模型，引入求解非线性微分方程的Taylor变换法，分析转子振动系统动力学特性以及激振频率等参数对系统的影响，利用非线性动力学分析中的打靶法求该系统的周期解，并利用Floquet主导特征乘子判断不同周期轨道的失稳方式。结果表明，考虑非线性油膜力影响后，转子系统的运动状态随转速增加由周期至二倍周期再至周期再至拟周期，或者经周期运动直接至混沌运动．不平衡质量影响转子系统的分岔阈值和分岔类型，阻尼对分岔阈值和系统的运动稳定性有一定的影响。     

转子弯扭耦合振动非线性动力学特性研究

对Jeffcott转子的非线性弯扭耦合振动微分方程进行了理论分析，得出了在弯扭组合共振区内弯曲振动和扭转振动的频率特征，利用数值方法对转子系统在较宽的参数域内进行分岔研究，得出了弯扭组合共振为概周期运动的结论，求出了弯扭组合共振区与不平衡量之间的关系，分析结果为转子的安全运行和弯扭组合共振故障的判别提供了理论依据。     

非线性油膜力作用下联轴器耦合转子系统的稳定性和分岔

在非线性油膜力作用下 ,建立了转子 -联轴器系统的运动微分方程。非线性油膜力则采用有限差分法求解 ,对联轴器耦合的刚性转子系统和柔性转子系统分别进行了计算和分析。结果表明对于平衡转子系统在平衡点失稳后 ,在一个较大的转速范围内存在着稳定的涡动轨迹 ,联轴器两侧转子的质量相差越大 ,则发生 Hopf分岔所对应的转速越高。对于不平衡转子系统 ,在同步涡动轨道失稳后 ,系统将产生准周期和倍周期等一系列的分岔现象 ,并且质量偏心的位置对系统的动力学行为有影响。     

非线性轴承-转子系统的稳定性和分岔

研究了非解析径向椭圆轴承支承的转子系统的稳定性和分岔。考虑了转动惯量的影响,利用非线性油膜力以增加数值计算的精度。在不需要额外再解Reynolds方程的情况下,采用等参有限元法,求解了具有Reynolds边值条件的流体润滑椭圆型变分约束方程,使得动力积分过程中所需非线性油膜力及其Jacobian矩阵能够同时计算完成并且具有足够且协调一致的精度。在稳定性分析中,运用打靶法和轨迹预测追踪算法研究了系统非线性不平衡响应,结合Floquet理论研究了随着轴承设计参数改变时非线性轴承—转子系统T周期运动的局部稳定性和分岔行为。