发动机轴承装配条件对支承刚度的影响

为探索航空发动机轴承装配条件对支承刚度的影响,支撑发动机转子系统的动力学设计和整机振动控制,在动力学方程的基础上,建立了振动测试和理论计算相结合的支承刚度辨识方法,并以某型航空发动机的五号支点轴承为对象,试验研究了圆柱滚子轴承内、外环配合参数、锁紧螺母拧紧力矩等参数对支承刚度的影响规律。结果表明:建立的支承刚度辨识方法准确可行;轴承内、外环为过盈配合时,过盈量增大,支承刚度增大,支承刚度对锁紧螺母拧紧力矩不敏感;轴承内、外环为间隙配合时,转子出现非线性共振,支承刚度大幅度地随机跳动,不符合线性条件假设。设计时应合理考虑轴承内、外环配合参数,避免导致转子系统振动特性恶化。     

航空发动机轴承内环松动理论研究

研究了轴承内环松动的航空发动机转子系统的振动特性。结合内环间隙的轴承组件的结构和几何特点,研究轴承内环和锁紧螺母之间的相对运动关系。在此基础上提出了轴承内环和锁紧螺母之间滑动摩擦载荷的计算方法。建立了带有轴承内环间隙的竖式转子的动力学方程。该方程考虑了内环间隙带来的刚度非线性以及内环和锁紧螺母之间的摩擦载荷带来的阻尼非线性。数值求解动力学方程,得到转子系统的振动响应如波形、频谱和轴心轨迹等。定量研究转子结构参数,如转子的不平衡量、内环间隙尺寸和锁紧螺母拧紧力矩等对转子振动特性的影响。结果表明:内环端面和锁紧螺母之间的内摩擦取决于它们的相对运动关系,正比于锁紧螺母拧紧力矩,并可能促进转子同步正进动,进而导致转子失稳;转子失稳时,振动响应包含系统固有频率、工频及固有频率和工频的差频3种等频率成分;转子不平衡量、内环间隙大小和锁紧螺母拧紧力矩等均对转子的失稳产生影响;合理控制这些参数可以避免因内环松动导致的转子失稳。     

航空发动机主轴轴承径向工作游隙计算与分析

径向工作游隙是航空发动机主轴轴承的重要参数,将影响到轴承中的负荷分布、振动、噪声、摩擦力矩和寿命,所以对轴承径向工作游隙进行研究很有必要。考虑了工作转速、工作温度、过盈配合因素的影响,建立航空发动机滚动轴承的径向工作游隙计算方程,并分析了过盈配合、工作转速、工作温度对工作游隙的影响规律,为航空发动机主轴轴承初始游隙的选取和过盈配合的设计分析提供依据。     

圆柱面配合激起的转子失稳振动研究

根据圆柱面配合引起的转子自激失稳振动的特性,建立了圆柱面间隙配合失稳模型。用Riccati传递矩阵法计算双转子实验器低压转子系统的失稳转速,分析圆柱面配合参数和轴承刚度对转子系统稳定性的影响。实验验证了圆柱面配合处锁紧螺母预紧力对转子门槛转速的影响,通过加大锁紧螺母预紧力能够有效提高转子的失稳转速。     

轴承安装配合方式对电主轴轴承-转子系统振动的影响

轴承-转子系统是决定电主轴单元工作性能的核心部件,而轴承的安装配合关系会直接影响系统的运行精度。考虑热膨胀和轴承内、外圈配合方式,建立了电主轴轴承-转子系统动力学模型,分析了内圈过盈配合和外圈间隙配合对转子振动特性的影响,并通过试验验证了模型的正确性。结果表明：转子振幅随内圈配合过盈量增大而减小,随外圈配合间隙量增大而增大,且外圈配合间隙量对转子振动影响更大;考虑热膨胀时的转子振幅小于不考虑热膨胀时的转子振幅。     

基于ABAQUS的轴承过盈配合接触应力分析

航空发动机主轴轴承内圈一般采用过盈配合的安装形式,通过一定的过盈量防止轴承内圈与轴发生相对转动,并对轴承内圈定位。建立了基于ABAQUS软件的轴承内圈过盈接触问题的仿真分析方法,使用该方法分析了某型航空发动机低压转子推力球轴承的内圈过盈配合接触应力,分析了该轴承内圈在装配压紧时发生转动的根本原因。建立的过盈配合接触应力分析方法可为航空发动机主轴轴承过盈配合的设计和校核计算提供理论依据。     

带弹性支承的角接触球轴承动态特性分析

针对航空发动机中的轴承支承模型,在有限元分析和轴承动力学的基础上,采用修正的Craig-Bampton固定界面模态综合法,建立了弹性支承结构与刚性的轴承外圈、轴承座之间的耦合连接,开发了带弹性支承的角接触球轴承动力学分析模型,分析并讨论了不同工况下,弹性支承体对轴承振动特性的影响。结果表明:与刚性支承相比,弹性支承能够降低系统固有频率下的振动幅值。轴承在轴向力作用下,力较小时,增大支承体的刚度能够降低振动幅值,力较大时,采用适当刚度的弹性支承有利于减小振动幅值;轴承在径向力作用下,存在一个合理的弹性支承刚度,使径向振动幅值达到最小。     

涡轮增压器压气机叶轮锁紧螺母扭力设计计算方法研究

针对车用涡轮增压器高速转子轴承系统可靠性问题,研究车用涡轮增压器的压气机锁紧螺母扭力设计方法。基于理论推导和涡轮增压器的工作特点,确定了压气机锁紧螺母预紧力范围的计算公式。结合压气机热力计算结果,得到发动机不同工况工作条件下转子轴输出功率的大小,从而确定不同设计工况点压气机锁紧螺母扭力值,确保转子轴承系统的可靠运行。将这种方法用在JP50Q汽油机涡轮增压器设计上,计算得到压气机锁紧螺母力矩范围,通过实践安装验证满足增压器高转速工作要求。     

航空发动机双转子系统的振动特性分析

以某航空发动机双转子系统为研究对象,建立考虑coriolis效应的双转子轴承系统的动力学模型,采用有限元法对双转子系统进行了模态分析和振型计算;分析不同转速比下转子系统的不平衡响应,发现不同转速比对转子的共振点影响极小,但是对振幅有一定的影响;研究转子的支承刚度对系统频率的影响,发现随着支承刚度的增加,转子的频率也会逐渐增大,但当刚度达到108以上时,频率变化甚小。研究结果为双转子系统的设计与计算提供理论参考。     

主减速器总成主动齿轮锁紧螺母拧紧及轴承预紧力矩在线检测系统

提出一种主减速器总成主动齿轮锁紧螺母拧紧及轴承预紧力矩在线检测系统的设计原则、总体构造。应用动态拧紧、检测原理,在线完成建立主动齿轮轴承预紧力矩作业。     

Characteristics analysis of aero-engine whole vibration response with rolling bearing radial clearance

For the influence of rolling bearing radial clearance on the whole vibration in the aero-engine whole system, a real engine rotorbearing- casing whole model is established. The rotor and casing systems are modeled by means of FEM; the support systems are modeled by lumped-mass model; rolling bearing radial clearance and strong-nonlinearity of Hertz contact force at four different supports are considered. The coupled system response is obtained by the numerical integral method. The characteristics of the whole vibration response are analyzed. For rolling bearing at a typical support, the rotor, outer ring of rolling bearing and casing response characteristics at different rotating speeds are analyzed. The changing law of contact forces for each ball and the global contact forces at different speeds are analyzed. The influence of the radical clearance on the contact forces on the whole vibration is analyzed. The results show that the contact forces will be larger and the acceleration amplitude jumps obviously when the radial clearance is increased, and due to the variable stiffness of the rolling bearing, the natural frequency will appear when the stiffness changes fiercely, that is frequency-locked phenomenon. When the radical clearance is larger and the rotating speed is between two critical speeds, the rotor squeezes the outer ring now and then. Reducing the radical clearance can reduce the whole vibration and increase the rotor’s stability.     

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。     

航空发动机套齿连接结构刚度特性仿真分析及试验研究

以航空发动机低压转子套齿连接结构为研究对象,分析了套齿连接结构弯曲刚度非线性特征及其产生机理,建立了考虑齿面接触的套齿连接结构实体有限元模型,进行了套齿连接结构静刚度试验,通过仿真和试验研究了套齿连接结构刚度非线性变化规律,讨论了配合间隙、拧紧力矩和扭矩对弯曲刚度的影响规律。研究结果表明,由于定位面的接触状态和受力情况不同,套齿连接结构的弯曲刚度变化主要分为两个阶段,具有分段非线性特征;套齿连接结构弯曲刚度对定位面的配合间隙较为敏感,减小定位面配合间隙可以有效提高结构的弯曲刚度;拧紧力矩对弯曲刚度的影响较小;在小载荷状态下,扭矩对弯曲刚度的影响十分明显。     

高速电主轴轴承配合过盈量的计算方法研究

高速电主轴轴承与转轴配合的过盈量大小对主轴的刚度、旋转精度和使用寿命具有十分重要的影响。目前主轴外径的配合公差设计多根据实际经验和厂家推荐数据进行选用,尚缺乏科学定量的设计依据。文中将高速滚动轴承内圈和与之配合的空心主轴分别简化为薄壁圆环和厚壁圆筒,基于弹性力学和动力学理论建立了内圈和主轴的径向位移与旋转角速度之间的关系;并且考虑温升影响,推导得到了高速电主轴轴承内图与转轴配合过盈量的计算公式。     

高速转子系统振动控制技术评述

高速转子系统在正常工作过程中必须通过临界转速,此时由于不平衡质量的作用,转子系统会产生共振,导致强烈的振动。降低系统支承刚度以降低临界转速、增大支承阻尼,以减小振幅,这些措施可以抑制系统通过临界转速时的振动幅值和外传力。在振动被动控制技术中,常用弹性支承和挤压油膜阻尼器、金属橡胶减振器、高聚物复合材料减振结构等,降低系统支承刚度,增大支承阻尼,以减小系统振动;在主动控制技术中,通过主动控制挤压油膜阻尼器的参数,改变支承的刚度和阻尼的大小,以控制系统的振动;以及采用形状记忆合金调节器、电磁阻尼器、压电调器等装置,来主动控制系统的振动。目前控制技术仍存在装置结构复杂、性能不稳定等问题,采用粘弹阻尼复合材料与滚动轴承钢外圈复合结构的一体化滚动轴承,足一种有发展前途的研究方向。     

长周期变转速下入口油温对高速轻载涡轮增压器转子振动特性影响

高速轻载涡轮增压器转子系统的入口油温在长周期变转速运行条件下会产生动态变化,从而改变转子系统振动特性甚至导致非线性振动事故。以某型汽油机用高速轻载涡轮增压器转子为研究对象,分析浮环轴承内油膜最小厚度与偏心率随入口油温参数的变化规律,构建涡轮增压器转子-浮环轴承系统动力学有限元模型,采用Newmark积分法分析转子系统的非线性瞬态响应,结合涡轮增压器升速实验,得到不同入口油温下转子系统三维振动瀑布图与Colormap频谱图,探究入口油温对转子系统振动响应特性的影响。结果表明:随着入口油温从50℃增至130℃时,内油膜最小厚度会减少,环速比与偏心率会增加,内油膜振荡幅值逐渐降低,但出现内油膜振荡与外油膜涡动的轴颈转速点会提前约30%,且外油膜涡动幅值会逐步增加。综合内外油膜涡动与振动幅值,入口油温约为90℃时转子振动情况较好。结论可为设计具有智能抗振性能的高速轻载涡轮增压器转子系统的运行参数提供理论参考。     

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...     

带弹性环保护轴承的动力学特性

提出在传统保护轴承外圈加弹性环来提高其在主动磁悬浮轴承(Active magnetic bearing,AMB)系统中的工作性能。为完善转子跌落仿真模型,得到AMB失效前转子准确的运动状态,理论推导得到AMB的支撑动刚度曲线,进而基于有限元分析方法得到转子在其支撑下的模态,并与试验结果进行对比,验证所得刚度曲线的正确性。在刚性转子理论基础上,建立转子在AMB系统中的动力学模型。基于Hertz接触理论,分别建立AMB失效后转子与保护轴承内圈之间的碰撞模型和保护轴承的实时动刚度模型。根据所建立的模型,对不同弹性环支撑刚度阻尼在不同初始转速下跌落后的动力学响应进行仿真计算,并与无弹性环状态下跌落结果进行对比。仿真分析结果表明,选用合适的弹性环有利于降低转子跌落后的振动幅值和碰撞力。分别在不同初始状态下进行跌落试验研究,试验结果与理论分析结果基本相符。     

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。     

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.