热耗散变形下干气密封角向摆动稳定性的研究

干气密封系统角向摆动对密封端面造成磨损和影响密封的稳定性,通过数值求解和试验测试来探究密封角向摆动的稳定性规律。基于非线性振动理论,建立了气膜-密封环系统角向摆动模型,同时考虑热耗散变形对气膜厚度和刚度的影响。将气膜刚度和阻尼表示为含有摆角的多项式变量代入振动方程并设置无外激励,利用Floquet指数对非线性振动微分方程进行求解。在热耗散变形下的螺旋角为75°48'32″和无热耗散变形下的螺旋角为75°42'55″时,密封将会发生Hopf分岔,表明考虑热耗散变形下系统稳定运行时的螺旋角范围更大,热耗散变形对螺旋角和分岔点位置有一定影响。选取75°50'和75°两种螺旋角测试热耗散变形下角向摆动对密封端面和泄漏量的影响,发现考虑热耗散变形下螺旋角75°50'的干气密封端面擦痕严重,泄漏量不断增加,无法稳定,相比较螺旋角75°的泄漏量更大,说明热耗散变形对干气密封角向摆动有一定的影响,为干气密封的动态优化设计提供了理论指导。     

干气密封气膜—密封环系统轴向振动动力稳定性分析

摘要：基于非线性振动理论,建立了气膜-密封环系统轴向振动动力学模型,在特例下计算并拟合非线性气膜轴向刚度与阻尼,得到了一个含二次、三次项的非线性受迫振动微分方程。在无外激励情况下,通过求Floquet指数讨论了系统分岔问题,分析了螺旋角对系统稳定性的影响,给出了使干气密封系统稳定的螺旋角的范围, 并求得在特例下螺旋角α=75°13′26″时系统发生hopf分岔。这与先前利用龙格-库塔法研究的结果一致,从而验证了该方法的正确性。改变工况讨论系统分岔问题,得到了系统分岔时的螺旋角数值,结果表明其螺旋角数值基本不变,说明改变工况其分岔点位置不变,其结果为干气密封的动态优化设计提供理论指导。     

螺旋槽干气密封气膜刚度测试与稳定性分析

干气密封的关键技术是动压效应和稳定性问题,而气膜刚度是影响振动稳定性的主要参数之一。采用高精度改进型的电涡流微型传感器和Labview软件,并采用一系列的抗干扰措施,建立了螺旋槽干气密封的测试系统。通过测量干气密封的轴向静环振幅和轴向气膜振幅,而获得气膜刚度,并分析了其气膜振动的稳定性。试验研究表明：随着转速的增加和压力的升高,气膜刚度随之增大,气膜稳定性越好。本例中：压力变化范围为0.2-0.5MPa,转速变化范围为500 - 3000 r/min,得气膜刚度值的变化范围为0.01 - 0.03 KN/μm,且气膜刚度分别与压力和转速基本成线性关系;试验中测试了三种不同螺旋角的样机,得螺旋角为74°时,气膜刚度最大,气膜稳定性最好,选取合适的螺旋角可增加气膜的稳定性,从而对结构参数的优化提供了指导。     

热耗散变形下螺旋槽干气密封微尺度气膜流动特性研究

螺旋槽干气密封在高压、高速旋转时内部会产生一定量的热,导致密封环发生热弹变形,从而对密封性能产生影响。首先在速度滑移边界条件下,求出螺旋槽内的气膜压力和气膜速度,然后推导出气膜的无热耗散能量方程及有热耗散能量方程,进而利用气膜的压力、速度和能量方程,通过 Maple 和 Matlab 软件求解槽内气膜的温度分布。然后由热弹变形理论,求解出密封环的变形量,获得螺旋槽内气膜厚度的解析式。最后利用广义雷诺方程求出理论泄漏量,并与泄漏量的实验值进行比较。研究结果表明:随着气体从外径流入内径,槽内温度的分布规律是先升高后降低,槽根部周围温度较高;热弹变形量与温度变化的规律一致,而气膜厚度的变化趋势与之相反;干气密封中的泄漏量随变形量增大而增大,考虑热耗散有变形的泄漏量更接近于实验值。     

干气密封系统角向摆动的稳定性及其振动响应

干气密封系统角向摆动改变了动静密封环间的微尺度间隙,进而影响了干气密封的密封性能,建立了角向振动下气膜-密封环系统的动力学模型,应用微扰法和龙格-库塔法求解气膜角向刚度、临界转动惯量和角向摆动的二维振动方程,获得了密封系统稳定时的密封结构参数范围,并分析了最佳稳定点和临界点振动响应。研究结果表明:在特例中螺旋角α=75°邻域内,存在着稳定区域α=74°30′06″-75°16′10″,其最佳值为αopt=74°53′48″。最佳稳定点振动响应为准周期运动,而临界点振动响应发生了混沌运动。     

松动裂纹转子轴承系统周期运动分岔及稳定性分析

根据松动裂纹耦合故障转子轴承系统的非线性动力学方程,利用求解非线性非自治系统周期解的延拓打靶方法,研究了系统周期运动的分岔特性及其稳定性。研究发现,在较大和较小的偏心量作用下,系统的周期运动都由倍周期分岔而失稳,在适当的偏心量下,系统的周期运动以Hopf分岔形式失稳且稳定性较强。转轴裂纹和基础松动故障都使系统周期运动稳定性降低、系统Hopf分岔存在的偏心量范围变大。结论为转子轴承系统的安全稳定运行和振动的抑制及控制提供了理论参考。     

单点系泊船舶Hopf分岔的试验研究

对单点系泊船舶的Hopf分岔现象进行了试验研究．给出了试验方法和过程；探讨了不同来流速度和系缆长度对于船舶动力学响应的影响．试验表明，船模运动呈现出典型的非线性特征，观察到了吸引子的共存，平衡点稳定性丧失和Hopf分岔现象．利用振动衰减系数计算了Hopf分岔值，与试验结果相比较，具有良好的一致性．得到了试验条件下的Hopf分岔集，指出其对于系泊系统的设计是有指导意义的．     

三自由度偏心索风致振动稳定性分析

索结构在表面覆冰后在横截面上引起偏心,在风荷载作用下面内、面外两个横向振动与扭转振动会耦合在一起,动力学状态较为复杂.该文建立了悬索风致振动的三维耦合振动模型,将风荷载表示为攻角的非线性函数,通过Hamilton 原理导出动力学方程.采用Galerkin 法将控制方程离散化,根据Routh-Hurwitz 判据得到索平衡构形在参数空间内的稳定域,确定了发生Hopf 分岔的临界风速,并且用数值解验证了稳定性条件.在给定的Hopf 分岔设计点附近,采用近似解析方法确定了稳定域的边界形状,节省了一定的计算工作量.     

波轮式全自动洗衣机的摆动问题的分岔分析

为深入研究波轮式全自动洗衣机的摆动问题,讨论了其悬挂系统的受力情况并详细分析其切向阻尼力的构成形式;采用旋转坐标变换的方法将文献[5]中振动模型转为自治形式,分析自治系统的平衡点及其求解方法;采用数值分岔软件AUTO[6]完成了自治系统的分岔分析,指出脱水过程中的Hopf分岔现象,解释了摆动现象起源于自治系统解的不稳定性,进而讨论了Hopf点与脱水转速、脱水负载、悬挂系统轴向阻尼和悬挂弹簧刚度间的关系,并分析脱水过程中的稳定区与不稳定区;最后采用数值仿真的方法验证了分岔结论的正确性。     

干气密封动静环摩擦界面热弹法向接触刚度分形模型

基于分形理论,根据重新建立的微凸体接触模型,并考虑微凸体弹性变形以及热应力变形,建立了干气密封两摩擦界面热弹性法向接触刚度计算模型,并对其影响因素进行了数值分析。研究结果表明:热法向接触刚度、弹性法向接触刚度均随无量纲真实接触面积、分形维数增大而增大,而随特征尺寸增大而减小,其中分形维数、特征尺寸对弹性法向接触刚度影响较为显著;摩擦因数对热法向接触刚度和弹性法向接触刚度的影响相反,摩擦因数增大,热法向接触刚度变大,而弹性法向接触刚度变小;热法向接触刚度随着转速以线性方式增大。摩擦界面热弹法向接触刚度分形模型的建立与分析,将为研究考虑热效应的干气密封摩擦振动奠定一定基础。     

弹簧和密封圈刚度和阻尼对气体端面密封追随性的影响研究

气体端面密封在实际运行中,静环对动环轴向窜动和角向摆动的跟踪响应能力(追随性)至关重要,优良的追随性能够降低外界干扰对密封稳定性造成的影响。将气体端面密封简化为弹簧-阻尼-质量系统,基于线性化的摄动法求解了密封气膜动态性刚度和阻尼系数,在此基础上研究了弹簧和补偿环用辅助密封圈刚度和阻尼对气体端面密封追随性的影响规律,研究对象包括动压式密封、静压式密封以及动静压混合式密封三种密封形式。研究结果表明:当刚度和阻尼分别小于某数量级时,三种密封在轴向和角向均能具有优异的追随性,随着刚度和阻尼的增加,密封追随性随之变差;同等条件下,动压式密封追随性最好,动静压混合式密封次之,静压式密封最差。     

考虑弹性水击效应时水轮机调节系统的Hopf分岔分析

在考虑水轮机调节系统中弹性水击效应的情况下,建立了系统的非线性模型,在此基础上,运用非线性动力系统的分岔理论分别研究了在频率扰动、负荷扰动或无扰动的情况下,由于PID调节器参数发生变化,在系统中可能发生的Hopf分岔现象,在PID参数空间中给出了分岔临界点、稳定域范围以及状态变量随分岔参数变化的分岔图,并与刚性水击情况进行了比较.由此得出结论,由于调节器参数的变化,在水轮机调节系统中可能导致所不期望的持续非线性振荡,为保证系统能够安全稳定地运行,应将调节器参数设定在其稳定域范围内.仿真验证了理论分析的结果.     

环形密封对离心泵转子系统稳定性影响的数值研究

环形密封中流体产生的激振力是导致离心泵转子-密封系统失稳的重要因素。文章采用非线性密封Muszynska模型建立了离心泵转子-密封系统动力学模型,利用四阶Runge-Kutta法将二阶微分方程转化成了一阶微分方程,同时将打靶法和Floquet理论相结合,对离心泵转子-环形密封系统不同密封参数情况下的非线性稳定性及其分岔问题进行了研究。结果表明,在转速较低时,系统是稳定的周期涡动,随着转速的提高,系统将产生Hopf分岔进入准周期运动而不再稳定,进一步研究发现系统稳定性与密封参数有着重要关系,适当增大密封压差,减小密封间隙和减小密封长度可以提高离心泵转子-密封系统稳定性,计算结果为离心泵转子-密封系统的设计以及定性控制系统的稳定性提供了理论依据。     

松动碰摩转子轴承系统周期运动稳定性研究

根据松动碰摩耦合故障转子轴承系统的非线性动力学方程，利用求解非线性非自治系统周期解的延拓打靶方法，对系统周期运动的稳定性及其失稳规律进行了研究，得到了系统在不平衡量-转速、碰摩间隙-转速等参数域内的分岔集。分析表明：在较大和较小的不平衡量下，系统的周期运动分别以Hopf分岔形式和倍周期分岔形式失稳；耦合故障转子轴承系统表现出与碰摩转子轴承系统相似的分岔失稳规律；随着系统动静件之间的碰摩间隙减小，系统的Hopf分岔集区间变大而且失稳转速降低。该结论可以为转子系统的故障诊断、安全稳定运行及振动控制提供理论依据。     

横向风荷载作用下轴向运动弦线自激振动和稳定性分析

研究了横向定常风荷载作用下轴向运动弦线的非线性自激振动问题。将风荷载模型化为平均风速的非线性函数,建立动力学微分方程。采用Galerkin方法,将运动弦线简化为离散的二维系统并进行线性化,分析弦线平衡构型的稳定性,根据Routh-Hurtwitz判据确定了平衡点的稳定域。确定了多参数下Hopf分岔点及产生稳定极限环的条件。使用增量谐波平衡(IHB)法求解了自激振动的周期响应,按照Floquet理论确定了周期解的稳定性。最后,讨论了运动速度和平均风速稳定性的影响,并给出相应的稳定性条件。     

多自由度齿轮系统非线性动力学分析

建立三自由度多间隙齿轮系统耦合振动模型,综合考虑时变啮合刚度、齿侧间隙和轴承纵向响应等非线性特性因素的影响,并采用变步长4~5阶Runge-Kutta法对系统状态方程进行数值求解。构建系统的Poincaré截面,得到系统的位移-时间映像图,通过分析位移-时间映像图,发现系统在支承间隙较小而支承刚度较大时更加稳定;根据分析位移-时间映像图的结论,选择合理的参数,画出系统随频率变化的分岔图,结合相图和Poincaré映射图分析系统的非线性动力学特性,发现系统在不同激励频率下会发生Hopf分岔、倍化分岔和混沌等现象。     

非线性能量阱减振系统受基底简谐激励的分岔特性分析

利用复变量平均法推导了基底简谐激励下带光滑立方刚度非线性能量阱减振系统的慢变微分方程,结合多尺度分析,得到了系统的鞍结分岔边界条件及Hopf分岔边界条件。分析表明:基底简谐激励作用下,系统鞍结分岔边界内有3解,边界外有1解;Hopf分叉边界内为不稳定周期解区域,边界外则相反;仅在质量比较小时,其分岔边界与仅考虑主系统受简谐激励的分岔边界接近,但失谐参数的变化将会引起较大差别。基底简谐激励下的理论预测幅值与实际计算幅值相近,慢变系统幅值与数值模拟的幅值吻合也较好;在一定条件下也可能产生弱调制反应,并且在某些失谐参数处有可能出现多解共存的情况。     

干气密封摩擦界面法向接触刚度分形模型

为揭示干气密封摩擦界面的摩擦振动规律,用分形参数表征干气密封摩擦界面形貌特性,根据重新建立的微凸体接触变形方式,以及概率理论建立了干气密封摩擦界面法向接触刚度分形模型。通过与相关实验数据和模型的对比,验证了该模型的合理与正确。对影响法向接触刚度的关键因素进行了数值分析,研究结果表明:法向接触刚度随分形维数、真实接触面积的增大而增大;当接触面积一定时,法向接触刚度随特征尺度、摩擦因数的增大逐渐减小。相比于分形维数、特征尺度对法向接触刚度的影响,摩擦因数的影响相对较小。该研究结果为进一步研究干气密封摩擦振动奠定了基础。     

重力场对欧拉屈曲梁非线性吸振器分岔特征的影响研究EI北大核心CSCD

以欧拉屈曲梁构成的非线性吸振器为研究对象,针对不同的应用环境,分别建立有无重力条件对应非线性动力学模型并重点研究重力场对非线性系统分岔特征的影响。利用复变量-平均法推导出非线性系统的慢变方程,进而得到其对应的鞍结(saddle-node, SN)分岔以及霍普夫(Hopf)分岔边界。通过对比有无重力条件下的分岔边界发现,重力场使分岔边界受参数影响范围变大;进一步,在有重力场条件下,针对失谐参数和激励幅值对非线性系统分岔特征的影响展开讨论;最后,考虑重力场条件,针对欧拉屈曲梁非线性吸振器部分关键设计参数对系统分岔特征的影响进行了分析。计算结果发现:满足一定条件,SN分岔和Hopf分岔会有共存的情形;而且,频响幅值随激励幅值的变大而产生两个分支,随激励幅值继续增大,将使两个分支重合但多解区间并未消失且增大;欧拉屈曲梁长度和斜置倾角对分岔特性有较大影响,且变化规律相似,随着参数增大,SN分岔与Hopf分岔边界减小。     

反转轴间气膜密封振动过程分析

摘 要：本文对一种双端面反转轴间气膜密封因外界扰动而引起的振动进行了研究,用有限元方法计算了两个端面的气膜刚度和阻尼,分析了瞬态扰动力作用下前密封跑道和主密封环的振动过程,并研究了系统质量、压力等因素对振动的影响。结果表明,系统的自由振动频率主要由前密封跑道质量决定,主密封环质量对自由振动频率影响较小;同一密封跑道质量对应的不同的环道质量对系统的振动收敛时间影响不大;系统的压差越大,所能承受的扰动力越小,越易瞬时振动失稳。该计算结果对气膜密封的动力学响应分析具有一定的指导意义。