高速双透平与四磁盘同轴结构轴系振动特性试验研究

在动静压混合气体润滑轴承支承的双透平与四磁盘同轴结构的涡轮膨胀发电机试验台上,研究气体轴承-转子系统动力学特性。通过轴心轨迹、频率耦合三维图和频谱图,分析系统非线性行为特征,结合转子系统的结构对飞升现象进行分析。结果表明:该轴承-转子系统由于采用气浮轴承,在一定供气压力下,出现半速涡动、气膜振荡的典型振荡现象,并在某一转速时出现飞升现象。出现飞升的原因是由于设备结构中采用了阻尼低的气体轴承以及两端涡轮结构,使其在工频、分频能量转化时转换成了转子转速,导致转子转速的急剧增加。通过调节振动特性和控制涡轮供气流量等措施可抑制飞升。     

球面螺旋槽动静压气体轴承试验台的研制及试验分析

为研究气体轴承的工作机理和静动态特性、设计了球面螺旋槽动静压气体轴承试验台,通过转子升降速试验分析转速-时间、碰磨电压-时间曲线,得到转子的起飞转速为15 762 r/min;通过轴承轨迹、频谱试验研究轴承-转子系统稳定运行到失稳过程的振动变化特性,进一步使用MATLAB,MYSQL数据库及数据处理系统对试验数据进行在线和离线处理,求得气体轴承刚度、阻尼等静动态特性与供气压力、转速的变化关系;通过电磁激振系统对转子进行加载试验,研究刚度、阻尼与激振频率变化关系。试验表明:试验台可测量气体轴承的转子转速、振动位移、轨迹、频谱、起飞转速及刚度、阻尼等静动态特性系数,研究气体轴承稳定运行及失稳过程静动态特性变化和运行参数对轴承静动态特性的影响。     

动静压气体轴承-柔性转子系统的动力学特性

针对高速动静压气体轴承 柔性转子系统中存在的气膜振荡现象,考虑轴承供气压力对轴系动力学特性的影响,开展了转子系统动力学特性的实验研究。采用模态实验分析的方法,得到了转子临界转速区域,为升速实验方案的制定以及气膜振荡机理的分析提供依据。采用分岔图、三维谱图、轴心轨迹等非线性振动测试与分析方法,研究了供气压力对气膜振荡特性的影响。实验结果表明,轴承供气压力对转子的升速响应和失稳门槛转速有着重要的影响。随着供气压力的增加,消除了二阶模态气膜振荡,同时,变轴承供气压力方案下1阶模态气膜振荡的幅值比0.4 MPa下1阶模态气膜振荡的幅值小。另外,较高的轴承供气压力能够提供较大的轴承直接刚度,因此,平动、锥动以及1阶弯曲固有频率随轴承供气压力的增加而增加。     

气体动压轴承非线性动力学行为和稳定性预测

以球面螺旋槽气体动压轴承为研究对象,建立三维微气膜瞬态流场数学模型,采用流体动力学软件,对轴承三维气膜压力场进行仿真分析,得到使轴承承载能力最大的结构参数和运行参数。研究在最大承载力下,不同转速和偏心率对气体轴承瞬态刚度系数和阻尼的影响规律,探索气浮轴承瞬态非线性动力学行为。模拟出转子受转速影响下的轴心轨迹图,研究轴承-转子系统的稳定性。研究结果表明:槽宽比、槽深比、偏心率对轴承承载特性的影响明显;提高转速和偏心率有助于轴承的稳定,但随着转速的升高,轴承转子系统的稳定性接近临界状态,导致轴承转子系统不稳定,而较大的偏心率,易导致轴承产生碰摩现象,也破坏了轴承的稳定性,因此,在轴承设计过程中应合理选择轴承的设计参数,提高轴承的综合性能。     

突变扭矩激励下转子系统横振响应

针对细长轴的转子系统的特点,建立了突变扭矩激励下的转子系统动力学模型,对该模型进行了求解和仿真;分析了仿真得到的轴心位移的时域和频域波形.结果表明,在突变扭矩激励下转子系统的轴心位置发生偏移.偏移量随着扭矩增大而增大,轴心轨迹也受到影响.在受激励的初始阶段,轴心轨迹很不稳定.随着扭矩趋于稳定,轴心轨迹逐步趋于稳定.最后...     

向心透平发电膨胀机静压气体轴承设计与承载特性分析

为提升有机朗肯循环（organic Rankine cycle,ORC）系统向心透平发电膨胀机静压气体轴承的承载力与刚度,采用表压比法设计了以R245fa为润滑工质的静压气体轴承,分析转子偏心率、供气孔尺寸、进气压力对静压气体轴承承载力与刚度的影响。实验结果表明：在相同供气压力下,轴承承载力与刚度随着转速的增大而增大;在相同转速下,0.7 MPa供气压力相对于其他气体供气压力轴承的承载力与刚度略高;静压气体轴承的偏心率越大承载力越大;相同供气孔直径下,静压气体轴承的承载力与刚度随着转速的升高而升高;随供气孔直径增大,静压气体轴承的承载力和刚度也随之增大。     

基于流固耦合气体轴承-转子系统的动态特性分析

机床切削过程中所受的切削力可假设为稳态力和动态扰动力的合力,为探究以气体轴承作为支承的电主轴系统的动态特性,以正弦波作为动态扰动加载形式,提出采用简谐激励法与双向流固耦合数值模拟相结合的方法对气体轴承-转子系统的简化模型进行动态特性研究;对动刚度和阻尼系数进行辨识,并通过模态分析获得转子不同稳态力下系统振型及固有频率变化规律。研究结果表明：随稳态力的增加,下径向轴承的Kyy增长速率大于Kxx,而交叉刚度和交叉阻尼均几乎不变;下径向轴承的主刚度大于交叉刚度,主阻尼大于交叉阻尼;当稳态力为50~200 N时,转子下端y向偏移均随动态扰动力频率的增加呈现先增大后减小的趋势;系统的共振频率随稳态力的增大而增大。     

微气体轴承-转子系统动力特性研究

针对微气体轴承,基于1阶速度滑移边界,推导得到修正Reynolds方程,然后采用双向隐式算法(ADI)求解动态Reynolds方程,得到轴承非线性气膜力,并结合刚性转子运动方程,计算转子系统不平衡响应,得到了转子轴心轨迹、时间历程、功率谱和Poincare图等,分析了微气体轴承-转子系统的动力特性。分析表明,随着转子转速的升高,转子系统运动表现出倍周期和概周期等复杂的动力特性。     

联轴器不对中故障转子系统的动力学试验

建立了一个多跨转子-轴承系统试验台,并进行了具有联轴器不对中故障的转子-轴承系统动力学试验,重点分析了平行不对中和交角不对中转子的动力学特性和振动机理。试验结果表明,在不对中转子系统的稳态响应中,除了工频外还存在倍频振动分量,并且随着转速的提高倍频分量增大。在转速较低时,不对中转子的轴心运动具有同步振动特征;随着转速的增加,轴心轨迹呈现出"8"字形或多环椭圆形,且轴心轨迹在某些位置处曲率变化较大。对于具有平行不对中故障的转子-轴承系统,在转速较高时,还会出现和差型谐波振动分量。     

气体轴承-转子系统研究进展

气体轴承由于其高精度、低摩擦、高转速、无污染等优点,在精密机床、高速机械、电子加工等领域获得了广泛应用。目前随着转子速度的不断提高,轴承与转子相互耦合影响越来越突出,同时一些提高系统稳定性方法的机制也有待深入研究,因此有必要对现有的研究成果进行总结分析。对气体轴承-转子系统稳定性理论研究进行回顾,介绍和分析提高气体轴承-转子系统稳定性的五类方法:切向供气法、轴承弹性支撑法、Sixsmith式气体轴承、刚度各向异性轴承、惯性气体轴承;对气体轴承-转子系统的研究发展趋势进行预测和展望。     

基于显式有限元的转子不平衡与轴承故障耦合分析

为分析转子不平衡与轴承故障耦合振动特征及产生机理,在对转子不平衡与轴承故障耦合状态下受力分析的基础上,基于虚位移原理的增广拉格朗日法建立轴承运动控制方程,运用LS-DYNA建立转子-轴承系统二维显式动力学有限元模型,分析了故障耦合状态下轴承振动加速度、转子轴心运动轨迹,探明了转子不平衡-轴承缺陷耦合故障冲击响应特征及转...     

考虑支点偏置的多孔质可倾瓦轴承静态特性分析

为探究瓦块支点偏置对多孔质可倾瓦轴承静态性能的影响,建立多孔质可倾瓦轴承的热混合润滑模型,应用Fluent软件分析轴承静态特性;采用网格迭代算法和瓦块运动UDF对轴承各瓦块沿枢轴运动及摆动进行模拟,研究偏心率、转子转速、供气压力及枢轴支点偏置对轴承负载能力、质量泄漏量、摩擦扭矩和温升的影响。结果表明：增加轴承支点偏置可提高轴承承载力,特别是在高偏心率、高转速、低供气压力条件下,承载力提高更为明显;在偏心率和转速相同时,适当的支点偏置可显著降低轴承对气体的消耗：但支点偏置会增加摩擦力矩,使转子温度升高,应合理选择支点偏置避免温升对轴承的不利影响。研究结果为多孔质可倾瓦轴承的优化设计提供了参考。     

ICEEMDAN结合FastICA方法在转子系统降噪提纯中的应用

针对转子系统采集得到的非平稳信号中存在着较多噪声,导致分解原信号易出现模态混叠和虚假模态现象,使得降噪提纯效果不理想,特征量无法识别等问题,提出了一种将改进自适应噪声的完备集合经验模态分解(Improved Com-plete Ensemble EMD with Adaptive Noise,ICEEMDAN)和快速独...     

An experimental study of the performance characteristics with four different rotor blade shapes on a small mixed-type turbine

A small mixed-type turbine with a diameter of 19.9 mm has been substituted for a rotational part of pencil-type air tool. Usually, a vane-type rotor is applied to the rotational part of the air tool. However, the vane-type rotor has some problems, such as friction, abrasion, and necessity of accurate assembly etc.,. These problems make the life time of the vane-type air tool short, but air tools operated by mixed-type turbines are free of friction and abrasion because the turbine rotor dose not contact with the casing. Moreover, it is assembled easily because of no axis offset. These characteristics are merits for using air tools, but loss of power is inevitable on a non-contacting type rotor due to flow loss, tip clearance loss, and profile loss etc.,. In this study, four different rotors are tested, and their characteristics are investigated by measuring the specific output power. Additionally, optimum nozzle location against the rotor is studied. Output powers are obtained through measured pressure, temperature, torque, rotational speed, and flow rate. The experimental results obtained with four different rotors show that the rotor blade shape greatly influences to the performance, and the optimum nozzlc location exists near the mid span of the rotor.     

混流泵起动过程转子轴心轨迹的试验研究*

混流泵起动过程中的振动失稳严重威胁着泵机组的安全,研究起动过程中的轴心轨迹,可以全面、直观地反映瞬态效应对机组运行稳定性的影响,掌握非调节工况下转子的振动状态。基于本特利408数据采集系统,测量获得了起动加速过程中不同转速下转子的轴心轨迹图和时域图,分解提纯一倍频和二倍频轴心轨迹图及其时域图,解析起动过程不同转速下的频谱图。研究结果表明,加速过程中,一倍频轴心轨迹由长短轴相差不大的椭圆逐渐变为圆形,可以判断转子存在弓状回转涡动且涡动不断加剧;二倍频轴心轨迹由近似水平线段逐渐变化为水平方向扁平的椭圆,可以判断转子存在不对中现象且水平方向的振动不断加剧。结合瞬态外特性曲线,研究发现随着转速的逐渐增大,转子系统的瞬时水力冲击逐渐增大,转子不平衡量和径向偏移量逐渐增大,振动情况逐渐加重,当转速达到最大值时,轴系振动出现一个峰值并随转速稳定有所降低并逐渐趋于稳定。加速是引起轴系振动的主要原因,瞬态效应是影响振动故障恶化的重要因素。研究成果对于实时评估混流泵起动过程中的轴系运行状态、有效降低或防止振动故障的恶化具有重要的工程应用价值和理论指导作用。     

双螺杆制冷压缩机转子轴心轨迹波动特性试验研究

随着制冷系统的不断发展,双螺杆制冷压缩机作为系统的核心部件,其运行压力也越来越高,使得滑动轴承的应用也越来越广泛,以承受不断增大的转子径向力,而转子轴心轨迹是滑动轴承工作状态的综合反映。本文通过搭建双螺杆制冷压缩机转子轴心轨迹测试系统,对不同工况以及内容积比下的轴心轨迹进行了试验研究。研究结果表明:与滚动转子压缩机、离心压缩机等旋转机械不同,双螺杆压缩机的转子轴心轨迹大致呈椭圆形,且每个运行周期中还存在若干波动,这些波动的数目对应于压缩机的阴转子齿数,即转子径向动载荷的波动频率。     

基于轴心轨迹形态的转子裂纹故障分析与诊断

基于转子系统轴心轨迹的形态分析,提出一种对多故障中的裂纹故障进行初步诊断的简便方法。通过对转子系统1/2临界转速附近的轴心轨迹形态分析,表明在1/2临界转速附近,裂纹-碰摩双故障转子系统轴心轨迹的内环形状随着转速的变化而改变,内环的偏置方向也随转速旋转一定角度。在碰摩转子系统中,其1/2临界转速附近的轴心轨迹形态与裂纹-碰摩双故障转子有明显区别。多故障系统轴心轨迹的形态分析为对其中的裂纹故障进行初步诊断提供了新方法,使转子故障诊断效率得到提高。同时结合分岔图及频谱图对不同转子系统的动力学响应进行了分析,利用Bently转子实验台对裂纹转子系统的轴心轨迹进行了实验验证。     

基于等距曲面的弧面凸轮单侧面数控加工刀位优化算法

针对弧面凸轮廓面的多轴数控加工,在分析现有各种加工工艺方法,尤其是分析单侧面加工方法存在的不足的基础上,围绕减小加工得到的实际廓面与理论设计廓面的极差,提出一种以刀轴轨迹面与凸轮廓面等距曲面的极差最小为优化目标的弧面凸轮单侧面数控加工刀位数据计算的优化算法。所建立的刀位优化算法综合了不可展直纹面侧铣加工的两点偏置算法和三点偏置算法的优点。通过实例对各种单侧面刀轨规划算法进行加工误差综合对比分析,结果表明所建立的刀位计算优化算法正确有效,可显著减小编程误差,为进一步提高弧面凸轮单侧面加工精度和完善加工工艺奠定了扎实的理论基础。     

A stability analysis for a hydrodynamic three-wave journal bearing

The influence of the wave amplitude and oil supply pressure on the dynamic behavior of a hydrodynamic three-wave journal bearing is presented. Both, a transient and a small perturbation technique, were used to predict the threshold to fractional frequency whirl (FFW). In addition, the behavior of the rotor after FFW appeared was determined from the transient analysis. The turbulent effects were also included in the computations.Bearings having a diameter of 30 mm, a length of 27.5 mm, and a clearance of 35 μm were analyzed. Numerical results were compared to experimental results obtained at the NASA GRC. Numerical and experimental results showed that the above-mentioned wave bearing with a wave amplitude ratio of 0.305 operates stably at rotational speeds up to 60,000 rpm, regardless of the oil supply pressure. For smaller wave amplitude ratios, a threshold of stability was found. It was observed that the threshold of stability for lower wave amplitude strongly depends on the oil supply pressure and on the wave amplitude.When the FFW occurs, the journal center maintains its trajectory inside the bearing clearance and therefore the rotor can be run safely without damaging the bearing surfaces.     

Non-axisymmetric flow field in an axial impulse turbine

Phenomena such as hard landings or geometric flaws can cause non-axisymmetric tip clearance in turbines. Such geometric imperfections induce flow distortions which can, in turn, cause self-excited vibration of the rotor, or rotordynamic instability. Flow field perturbations in a single-stage, unshrouded impulse turbine caused by non-axisymmetric tip clearance have been investigated experimentally. Steady velocity and pressure data have been acquired at the design point with and without static turbine casing offset. Perturbations in tangential velocity and casing wall pressure have been obtained, and rotordynamic forces along and perpendicular to the axis of offset have been inferred. Compared to an unshrouded 20% reaction turbine, the forces due to tangential force asymmetry are much smaller, but the forces due to pressure asymmetry are comparable.