碰摩故障转子-滚动轴承耦合系统非线性动力学研究

针对滚动轴承支承下的转子碰摩故障机理分析和故障诊断问题,考虑滚动轴承非线性赫兹接触和轴承径向间隙,建立了含碰摩故障的转子-滚动轴承系统动力学模型。应用数值积分方法得到系统的非线性响应,利用时间波形图、分叉图、频谱图以及Poincaré映射图,研究了系统响应随转速、轴承间隙、碰摩刚度、偏心量以及碰摩间隙的变化规律,为有效诊断滚动轴承支承下的转子碰摩故障提供了理论依据。     

挤压油膜阻尼器-滚动轴承-转子耦合系统的非线性响应分析

为了研究转子系统非线性动力学响应,建立了挤压油膜阻尼器-滚动轴承-转子耦合系统动力学模型。在转子系统模型中,考虑了转子、滚动轴承及挤压油膜阻尼器之间的相互耦合作用,并充分考虑了滚动轴承的间隙、非线性赫兹接触和挤压油膜阻尼器非线性油膜力等。运用数值积分方法分析了转子转速、支承刚度以及挤压油膜阻尼器油膜间隙对系统动力响应的影响,并结合分岔图、频谱图、Poincaré映射图和轴心轨迹图分析了转子系统的非线性动力学响应。结果表明:转子系统当转速较高、支承刚度较大或挤压油膜阻尼器油膜间隙较大时,转子系统容易出现拟周期运动。     

发动机转子系统碰摩-裂纹-松动耦合故障作用下动力学特性分析

建立了滚动轴承支承下的双跨转子系统非线性动力学模型,采用四阶-五阶定步长Runge-Kutta法分析比较了系统在无故障、碰摩故障、裂纹故障、一端松动故障以及碰摩-裂纹-松动耦合故障5种工况下随着转速变化的转子动力学响应。数值分析了在碰摩-裂纹-松动耦合故障工况下转子不平衡量、碰摩刚度、松动端轴承座质量对系统响应的影响。结果表明:当系统存在碰摩故障时,一阶临界转速有所提高,动力学行为更为复杂;存在裂纹故障时,一阶临界转速有所降低;存在松动故障时,响应混沌区域变大;存在三种耦合故障时,超一阶临界转速响应出现大面积混沌。随着转子不平衡量、碰摩刚度的增大,响应趋向于混沌,松动端轴承座质量在高速下响应具有敏感性。     

滚动轴承-转子系统有限元离散建模非线性动力学数值分析

在滚动轴承和转子动力学的基础上,考虑滚动轴承滚动体与内外圈滚道的Hertz弹性接触力和径向游隙等非线性因素,根据Timoshenko梁-轴理论,建立滚动轴承-转子系统的有限元离散化模型,采用Newmark数值方法对其求解,利用分岔图、Poincaré映射图、频谱图、相图和轴心轨迹图,分析了滚动轴承-转子系统在转速和游隙等参数下的非线性动力响应行为.结果表明,转子系统呈现周期和非周期(拟周期或混沌)响应形式,在倍周期响应区域内有明显的跳变现象,经过混沌区后,转子系统经倍周期分岔进入混沌,后经过阵发性分岔离开混沌;故合理选择转子的工作转速和游隙,降低非线性轴承力引起的非周期振动,可提高系统运行的稳定性.分析结果为定量和定性分析该双转子的稳定性提供了参考依据.     

挤压油膜阻尼器长径比对风车碰摩转子系统动力学特性影响

为了研究挤压油膜阻尼器长径比对转子系统风车定点碰摩动力学特性的影响,搭建了转子-轴承-刚性机匣系统风车不平衡模拟碰摩实验台,简化实验器得双盘-滚动轴承转子模型,在实验之前对双盘-滚动轴承转子风车状态下定点碰摩故障动力学响应特性进行研究,为实验做出相应的预估。将双盘-滚动轴承转子系统碰摩模型简化为集中质量模型,基于达朗贝尔原理建立了考虑非线性油膜力、碰摩力以及支承轴承力作用的双盘-滚动轴承转子系统碰摩非线性动力学运动方程,采用四阶Runge-Kutta法对动力学运动方程进行求解,分析了系统响应位移随挤压油膜阻尼器长径比的变化规律。结果表明:长径比是影响转子系统运动状态的敏感参数,若增大长径比,转子系统运动状态先后经历混沌运动、周期运动、拟周期运动和混沌运动,之后一直维持在混沌运动状态;随长径比增大,转子系统抗失效不平衡量呈现先增大后缓慢减小的趋势;长径比在0.4时,转子系统抗振性能最优。     

多跨度裂纹转子-滚动轴承动力学特性分析

在考虑由裂纹产生的附加刚度、滚动轴承非线性赫兹接触以及由滚动轴承支撑刚度变化而产生的VC(Varying compliance)振动的基础上,利用拉格朗日方程建立了滚动轴承支撑下含横向裂纹的双跨度转子模型,综合考虑离心、碰摩等故障,采用变步长Runge-Kutta法对单一及耦合故障导致的系统非线性动力学行为进行数值仿真,结合分岔图、轴心轨迹图、Poincaré截面图和三维谱图等,分析了裂纹扩展、裂纹角和滚动轴承径向间隙对系统响应的影响。结果表明,单一故障时,在超临界转速区有较大范围的混沌运动出现;耦合故障时,在亚临界转速区受不平衡旋转与VC振动的组合影响进入拟周期运动,超过临界转速后开始分频,表现出强非线性特性;裂纹较浅时对系统响应的影响不明显,裂纹较深时在高转速区系统响应变化明显;裂纹角对混沌运动影响较大、对周期运动无本质影响;系统响应对滚动轴承间隙的变化具有敏感性。研究结果对控制和预测旋转机械故障有一定的指导意义。     

非线性Jeffcott转子-滚动轴承系统动力学分析

为了研究Jeffcott转子-滚动轴承系统的非线性动力特性,建立了其非线性动力学方程,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,分析了参数、强迫联合激励的Jeffcott转子-滚动轴承系统的响应、分岔和混沌等非线性动力特性。结果表明,Jeffcott转子-滚动轴承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;Jeffcott转子-滚动轴承系统的非线性特性随着径向游隙的增大而加剧。     

裂纹-碰摩转子-轴承系统周期运动稳定性

建立了含有裂纹-碰摩耦合故障转子轴承系统的动力学模型,利用求解非线性非自治系统周期解的延拓打靶法和F loquet理论,研究了系统周期运动的稳定性。发现碰摩转子-轴承系统在不同的转速下会发生鞍结分岔、倍周期分岔和Hopf分岔等现象,裂纹-碰摩耦合故障转子-轴承系统具有不同于单一故障的独特的动力学特性。研究结果为转子-轴承系统故障诊断和安全运行提供了一定的参考。     

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.     

滚动轴承-转子系统动力学建模与仿真分析

以某细长轴实验平台为研究对象,考虑滚动轴承的接触非线性对滚动轴承—转子系统动力学特性的影响,将基座、轴承的振动纳入到研究范围内,建立了滚动轴承-转子-基座的动力学模型。采用变步长的Runge-Kutta方法对其求解,利用分叉图研究了系统在不同转速、不同转子质量偏心距和改变轴的刚度、改变支撑阻尼时的分叉特点和混沌行为;利用轴心轨迹图、poincare图、频谱图分析了系统在不同状态下的信号特点。结果表明,在细长轴的转子实验台上,随着转速的增加,系统的振动很大,稳定工作的周期运动区域很窄,转子工作时要时刻注意避免混沌运动;轴的刚度对转子的影响很大,大的刚度可使转子运动变得稳定,但同时也会将轴承的振动更多的传递到了转子上;质量偏心对系统的动力学特性有一定的影响,大的偏心会使转子的振动加剧、混沌运动区域变长、最小碰摩转速降低,因而在装配时必须尽量要避免偏心;支撑阻尼对转子系统的振动有很大的影响,随着支撑阻尼的增加,转子的振动幅值降低,混沌区域变窄,周期运动区域大大增加,系统容易稳定。     

陀螺仪滚动轴承-转子系统非线性动力特性分析

为研究陀螺仪滚动轴承-转子系统的非线性动力特性,建立了考虑非线性轴承力、变柔度等因素的滚动轴承-转子系统动力学方程,并用Runge-Kutta算法求解系统在不同参数下的分岔图、Poincaré图、频谱图、相图和轴心轨迹,依据系统的最大Lyapunov指数验证系统的非线性特性,结果表明:随着转子系统结构和工作参数的变化,系统响应中表现出丰富的周期和非周期(拟周期或混沌)振动,并且存在倍周期分岔的现象;选择合理的参数可有效提高系统的稳定性。     

滚动轴承转子系统的非线性动力学特性分析

接触非线性和间隙非线性耦合导致滚动轴承 转子系统表现出复杂的动力学特性 ,在工作转速范围内系统会产生分岔混沌振动 ,从而影响系统工作的稳定性和可靠性 ;在计及轴承接触非线性和径向间隙的条件下 ,建立了滚动轴承支承的水平刚性转子系统的非线性动力学模型 ,用数值积分方法得到系统在不同参数域中的相图、轴心轨迹、频谱图及Poincar啨映射图 ,研究了系统响应随转子转速的变化趋势。结果表明 :轴承的径向间隙是决定轴承 转子系统动态响应的一个重要参数。随着间隙的增大 ,混沌响应区变宽 ,轴承的动态刚度减小 ,故在设计滚动轴承 转子系统时 ,应对径向间隙进行优选。     

碰摩故障多自由度转子—轴承系统周期运动稳定性研究

以有限元理论为基础,建立考虑诸如非线性油膜力、陀螺效应等因素的碰摩故障转子—轴承系统多自由度模型,应用与Newmark法结合的打靶法分析碰摩故障多自由度转子—轴承系统的周期运动稳定性。研究系统随系统偏心距、碰摩间隙、碰摩摩擦因数、碰摩刚度等影响因素的失稳分岔规律。研究发现,小偏心距下系统发生hopf分岔失稳,而大偏心距下系统发生倍周期分岔失稳。减小系统的碰摩间隙、增大系统的摩擦因数或增大系统的碰摩刚度,将影响油膜涡动的形成,使系统失稳转速升高;对于轻度碰摩情况,系统分岔形式和失稳转速可能不发生改变,但对于重度碰摩情况,分岔形式和失稳转速将发生很大的变化。研究为相关转子—轴承系统故障诊断、振动控制及稳定性设计提供理论参考。     

非稳态油膜力的转子-定子-轴承系统碰摩故障研究

利用拉格朗日（Lagrange）方程建立了非稳态油膜力的转子-定子-轴承系统碰摩故障的力学模型,应用数值分析对其进行研究,得出转子系统在激励频率作为唯一控制参数时系统的轴心轨迹图和分岔图;对该系统响应的非线性行为和故障机理进行分析,从而为该类转子系统故障诊断和系统的安全运行提供理论依据.研究结果表明,当激励频率作为唯一控制参数时,系统存在周期运动、拟周期运动和混沌运动等丰富的非线性现象.     

滚动轴承支承下的不平衡转子系统非线性动力响应分析

建立了滚动轴承支承下的转子系统非线性动力学模型。在滚动轴承模型中,充分考虑了滚动轴承的间隙、滚动轴承的滚珠与滚道的非线性赫兹接触力及由滚动轴承支撑刚度变化而产生的VC（varying compliance）振动,在转子系统中考虑了由于转子质量偏心而产生的不平衡力。运用数值积分方法获取了系统的非线性动力响应,分析了转子旋转速度、滚动轴承间隙对系统动力响应的影响,并运用分叉图、相平面图、频谱图及Poincaré映射进行了系统分叉与混沌特征分析,发现了通往混沌的倍周期分叉、拟周期环面破裂和阵发性分叉途径。     

轴承-转子系统不平衡周期响应的稳定性和分岔

研究了轴承-转子系统的非线性动力响应及分岔,建立了滑动轴承支承的对称单圆盘柔性转子系统的运动微分方程,针对转子系统具有的局部非线性特征,将Newton-Raphson方法和Wilson-è法相结合,形成了一种求解转子系统不平衡周期响应的迭代方法.运用该方法使得非线性响应的迭代求解仅在非线性自由度上进行,并运用Floquet稳定性理论分析了转子系统周期响应的稳定性和分岔形式.以转速作为分岔参数,对轴承-转子系统进行计算分析.数值结果表明,系统主要发生倍周期分岔和准周期分岔,具有各种周期解共存、跳跃现象,随着转速的不断增加,系统周期解将发生倒分岔和再分岔.     

碰摩故障转子的试验模型设计方法研究

基于转子系统动力学相似模型开展了碰摩故障特征复现研究,以Jeffcott转子系统为例,采用方程分析法,推导了考虑非线性刚度的转子系统碰摩特征相似关系,并完成了模型转子和原型转子的数值仿真,得到了模型转子系统和原型转子系统响应随角速度变化的分岔图。计算得到的两个转子系统分岔图趋势一致,表明系统运动形式一致,分岔时的角速度和响应特征符合相似关系,验证了所提方法的正确性。可根据模型发生分岔时的参数值来预测原型的参数值,且可用模型转子系统代替原型转子系统进行碰摩故障机理分析。     

SFD作用下故障转子系统动力学特性及混沌控制

考虑挤压油膜阻尼器(squeeze film damper,简称SFD)作用,研究碰摩故障及不对中-碰摩耦合故障下系统动力学特性及SFD对系统混沌运动控制。基于Lagrange方程,建立不对中-碰摩耦合故障下SFD-转子-滚动轴承系统动力学模型,采用龙格库塔法对模型求解,并利用分岔图、Poincaré图、频谱图等进行对比分析。研究结果表明:合理油膜间隙下的SFD能有效抑制系统非协调响应以及振动幅值,使故障转子系统的混沌运动控制在稳定周期轨道上;过小的油膜间隙会形成很强的非线性油膜支反力,产生非协调频率成分,使稳定周期系统重返混沌状态;随着油膜间隙减小,SFD对不对中故障产生的典型2 X,3 X,4 X和5 X频幅值具有不同影响,其中2 X频幅值变化明显,3 X和4 X频幅值变化微弱,5 X频幅值基本不变。     

含松动与碰摩的转子-轴承系统非线性行为分析

以含松动与碰摩的转子-轴承系统为研究对象,采用一种新的短轴承非稳态油膜力公式和非稳态油膜转子-轴承系统碰摩的刚性约束非光滑模型建立系统的动力学方程,利用4阶Rounge-Kutta法求解非线性动力学方程,运用Mat-lab对系统进行数值模拟,通过分析相图、分岔图、Poincare截面图以及幅值谱图,得出系统丰富的非线性特性。结果表明含松动与碰摩的转子-轴承系统在工作转速较低时,轴承支座作微幅振动,随着转速增加,振动幅度也增加,在高速运转下系统处于混沌运动状态;含松动与碰摩的转子-轴承系统中松动端轴承支座在拟周期和混沌运动状态下的轴心轨迹松散,呈“柱状”结构,而未松动端在相同状态下轴心轨迹图结构紧凑,由此可以判断转子-轴承系统的松动故障。