考虑密封结构的球轴承涡轮增压器转子动力学特性研究

【摘要】：针对某型号车用球轴承涡轮增压器,利用密封力与油膜力动力学相似原理,将增压器转子系统中的密封结构视为一种油膜轴承,应用短轴承理论计算得到其刚度和阻尼矩阵并代入模型进行仿真计算,并与临界转速实验结果和未添加密封结构模型的计算结果进行对比,得到了密封结构对增压器转子系统临界转速、稳定性、不平衡响应的影响规律。结果表明：研究分析球轴承涡轮增压器转子动力学特性必须考虑密封结构,且可以应用短轴承理论分析密封结构动力学特性。     

大型非线性转子-密封-轴承系统的不平衡响应与稳定性

对实际大型汽轮机转子-密封-轴承系统建立了具有超大规模维数的非线性动力学模型,该模型考虑了密封的非线性激振力、可倾瓦轴承的弹性支承力、转子的阻尼力、不平衡质量力和重力.采用Newmark方法对其进行数值求解,模拟出转子升速过程中汽流激振现象的典型特征和发生汽流激振的失稳转速,并且得到系统参数对转子不平衡响应和稳定性的影响规律.结果表明:适当的增大转子的阻尼、密封的半径间隙和密封流体轴向流速可提高转子发生汽流激振的失稳转速,这为在设计和运行中提高实际大型汽轮机转子-密封-轴承系统的稳定性提供了参考依据.     

考虑发动机基础激励的涡轮增压器转子动力学研究

考虑发动机的基础激励和非线性油膜力,建立了涡轮增压器转子-轴承系统的动力学模型,研究了涡轮增压器转子在偏心质量作用下的非线性动力学行为.用数值计算方法对系统的动态响应进行了仿真计算,研究了转子随转速变化的分叉规律以及基础激励对转子非线性动力学行为的影响.结果表明,基础激励会通过非线性油膜力显著地影响转子的动力学行为,且基础激励会降低转子开始发生油膜涡动的转速,但基础激励对转子动力学的影响主要体现在转子转速较低的阶段.     

花键联轴器对转子-轴承系统稳定性影响研究

推导了松配合矩形花键联轴器考虑脱开临界状况的啮合力模型,基于有限元法建立了考虑圆柱瓦滑动轴承非线性油膜力和花键联轴器啮合力作用的转子-联轴器-轴承系统动力学模型,并用数值积分研究了联轴器啮合力对转子-轴承系统稳定性的影响规律.研究结果表明:花键联轴器的横向刚度对其连接的转子-轴承系统发生油膜振荡的失稳转速影响较小,而转角刚度影响较大;对于松配合花键联轴器,如果不考虑其转角刚度,用线性化的啮合刚度模化联轴器得到的转子-轴承系统的失稳转速要高于用力模化的系统的失稳转速;因此,工程用线性刚度代替啮合力模化联轴器将掩盖系统真实的失稳转速,这种简化对转子系统运行来说是不安全的.研究结果为获得转子-花键联轴器-轴承系统真实的失稳转速提供理论依据,研究思路对其他类型联轴器动力学建模具有借鉴意义.     

不平衡-碰摩-松动耦合故障的转子动力学建模与盲分离研究

建立了不平衡-碰摩-基础松动耦合故障的转子动力学模型。在模型中,轴承简化为线性弹簧,转子考虑为两端无约束的等截面自由欧拉梁,同时,建立了不平衡、碰摩和松动耦合转子动力学运动方程,运用模态截断法,利用数值积分方法获取转子系统的振动响应。显然,系统响应是多个耦合故障信号的混合,因此借助盲源分离方法进行了转子系统耦合故障信号分离研究,并运用ZT-3型多功能转子试验台进行了实验验证,仿真和实验结果表明了所建立故障动力学模型的正确性以及利用盲分离方法实施耦合故障分离的有效性     

基于超磁致伸缩驱动器的油膜轴承-转子系统的稳定性研究

以超磁致伸缩驱动器(GMA)油膜轴承-柔性转子系统为研究对象,计入轴承质量和转子刚度建立了包括GMA磁滞伸缩力模型在内的动力学方程,利用Routh-Hurwitz准则,推导了GMA油膜轴承所支承的单质量弹性对称转子系统的稳定性判据。考察了驱动GMA的反馈电流的相位角和电流大小、转子刚度、转子质量和轴承质量对系统失稳转速的影响。结果表明,反馈电流的相位角对系统失稳转速影响很大,存在一个最佳值,使系统的失稳转速最高,系统稳定性最佳,并随着反馈驱动电流和转子刚度的增大,失稳转速明显增大;随着转子质量的增加,系统的失稳转速也是增加的,而轴承的质量对系统的失稳转速影响不大。计算结果在GMA油膜轴承-转子系统整体建模方面有一定的意义。     

倾斜转子-滑动轴承系统周期解稳定性研究

摘　要：针对倾斜转子-滑动轴承系统的周期解稳定性问题,考虑倾斜状态下滑动轴承径向载荷的变化,基于有限元法建立了系统的动力学方程。使用Newmark方法仿真得到了倾斜转子-轴承系统的动力学响应,并分析了倾斜角度变化对转子周期解失稳阈速和失稳区宽度的影响。仿真结果表明,转子倾斜角度增大会导致转子失稳阈速减小,失稳宽度增大,但对周期解失稳区域上边界影响不大。倾斜转子的升速实验验证了仿真结果。     

可同步旋转双转子稳态响应数值分析

介绍可同步微速差双转子动平衡实验装置,建立该转子系统的动力学模型。应用有限元方法分析其临界转速,不平衡响应等动力学特性。比较双转子系统在单个转子运行(内转子或者外转子)、内外转子同步运行和内外转子微速差运行三种不同工作状态下的动力学特性。并对装置的动力学特性进行了实测,结果表明该实验装置满足了可同步微速差双转子动平衡原理研究的需要。     

基于模态振型分析的大型汽轮机低压转子高速动平衡方法

针对目前传统影响系数法难以平衡某些大型汽轮机低压转子的难题,提出一种基于模态振型分析的大型柔性转子高速动平衡方法。在分析汽轮机转子系统结构的基础上,综合考虑了动平衡机摆架轴承座的动力特性,采用基于有限元的转子轴承动力学分析商业软件DyRoBeS建立了转子-轴承-摆架系统模型,分析转子系统临界转速和振型,从而根据转子的模态振型,结合柔性转子影响系数平衡法要点,设计合理的平衡工艺,有针对性的选择平衡校正面和平衡转速点,采取逐阶次平衡的方法,实现这类大型特殊柔性转子的动平衡。最后以哈汽产的66万千瓦大型汽轮机低压转子高速动平衡试验为例,应用结果表明采用该方法能有效平衡大型柔性转子,且减少了起机次数,节省了平衡费用。     

反向旋转双转子系统非线性分析

以双转子系统中介轴承刚度的非线性为简化模型,推导了反向旋转双转子系统振动响应的非线性动力学方程.研究了转子转速、不平衡量和中介轴承径向间隙对系统响应特性的影响.结果表明:转速、不平衡量等对转子-轴承系统的非线性振动有较大的影响;减少中介轴承的径向间隙,有利于系统的非周期运动转变为周期运动,提高系统运动的平稳性.     

低频大摆幅基础运动对滑动轴承-转子系统动力学特性的影响

考虑了低频大摆幅基础运动及转子在轴瓦内倾斜而产生的非线性油膜力矩等因素,基于拉格朗日方程建立了滑动轴承-转子系统的动力学模型。采用数值方法研究了基础运动对该系统非线性动力学特性的影响。结果表明:转子系统第一次失稳后其动力学分岔特性出现复杂的上下两支拟周期运动,并且第二次出现失稳的转速有所提高;在转子转速较高时,转子的振幅急剧增大,且在拟周期阶段就已经碰触轴瓦内壁而未能过渡到混沌状态。最后讨论了基础运动的摆动频率和幅值变化对系统动力学特性的影响。上述结论有助于认识低频大摆幅基础运动下滑动轴承-转子系统的运动规律。     

Nonlinear dynamic analysis of a flexible rotor supported by micropolar fluid film journal bearings

The bifurcation and chaos of dynamic response of a rotor–bearing system with nonlinear suspension are investigated on the basis of assumptions of the micropolar lubricant together with short bearing approximation. The dynamics of the rotor center and bearing center are studied. The spatial displacements in the horizontal and vertical directions are considered for various non-dimensional speed ratios. The dynamic equations are solved using the Runge–Kutta method. The analysis methods employed in this study is inclusive of the dynamic trajectories of the rotor center and bearing center, Poincaré maps and bifurcation diagrams. The maximum Lyapunov exponent analysis is also used to identify the onset of chaotic motion. The numerical results show that the stability of the system varies with the non-dimensional speed ratios. Specifically, it is found that the dynamic behaviors of the system include periodic, quasi-periodic and chaotic motions. Thus it is concluded that the bearing and rotor center trajectory had undesirable vibrations. Understanding the dynamic behaviors of these parameters provides theoretical and practical ideas for controlling rotor–bearing systems and optimizing their operation.     

基于不平衡响应的磁悬浮轴承刚度阻尼辨识方法研究

磁悬浮轴承的支承特性对转子轴承系统的临界转速、不平衡响应、稳定性有着非常重要的影响。研究一种基于不平衡响应辨识磁悬浮轴承刚度和阻尼的方法。首先使用MSC.Patran建立磁悬浮轴承转子有限元模型;使用Matlab软件实现基于不平衡响应辨识磁悬浮轴承刚度阻尼的基本原理;然后用有限元模型进行仿真辨识来验证该方法的可行性;并对一个五自由度的磁悬浮轴承试验台进行基于不平衡响应的磁悬浮轴承刚度阻尼的辨识试验研究。最后,为了检验辨识结果的正确性,赋予转子有限元模型试验辨识的磁悬浮轴承的刚度和阻尼,进行仿真与试验的系统不平衡响应对比,结果两者基本一致,表明该方法可以有效地辨识磁悬浮轴承的刚度和阻尼。     

Stable fuzzy control with adaptive rotor imbalance compensation for nonlinear magnetic bearing systems

Abstract

The six‐DOF nonlinear dynamics and rotor mass‐imbalance induced vibration of a high‐speed magnetic bearing are rather complex. In this paper, an analytical T‐S (Takagi‐Sugeno) fuzzy model with simplified linearly‐parameterized mass‐imbalance model for magnetic bearings is first constructed. Based on the T‐S fuzzy model, a stable fuzzy control including adaptive imbalance compensation is then proposed through robust performance analysis. Simulation validations show that the proposed control law can suppress the rotor imbalance‐induced vibration and has excellent capability for high‐speed tracking and levitation control.     

高速转子系统油膜涡动动力学特性及其影响因素

以某实际滑动轴承支撑下的转子轴承系统为对象,建立非线性油膜力作用下的转子轴承系统的动力学模型,应用非线性动力学理论对该系统进行动力学响应特性数值模拟,利用幅频特性曲线、分岔图、三维谱图等研究系统响应随偏心距、转速、润滑油粘度、半径间隙、轴承长度和轴颈半径等因素的变化对油膜涡动的影响规律。为工程实际中转子系统的优化设计、故障诊断、振动控制等提供参考。     

带碰摩耦合故障的转子-滚动轴承-机匣耦合动力学模型

建立了含转子不平衡-松动-碰摩耦合故障的转子-滚动轴承-机匣耦合动力学模型.在模型中,充分考虑了转子系统的不平衡、基础松动及转静碰摩故障的耦合;对滚动轴承模型,充分考虑了轴承间隙、轴承滚珠与滚道的非线性赫兹接触力以及由轴承支撑刚度变化而产生的VC（varying compliance）振动.运用数值积分方法获取了系统响应,并利用振幅-转速曲线图、分叉图、相平面图、频谱图、Poincaré截面图和轴心轨迹图研究了系统的分叉与混沌运动,分析了旋转速度、碰摩刚度、转子偏心量、轴承座质量、轴承座与机匣间的连接刚度以及机匣与基础间的连接刚度对系统响应的影响,得到了在不平衡-松动-碰摩故障耦合下的转子-滚动轴承-机匣耦合系统动力响应规律.     

径向动静压浮环轴承-转子系统稳定性分析

以径向动静压浮环轴承-转子系统为研究对象,计入浮环质量和转子刚度建立了统一的动力学方程,用Routh-Hurwitz准则推导了单质量弹性对称系统的稳定性判据。用有限差分计算了某高速径向动静压浮环轴承的刚度系数和阻尼系数,在此基础上得到了不同浮环质量和转子刚度下动静压浮环轴承-转子系统的稳定性曲线。计算结果表明,浮环质量对系统稳定性影响不大,而随着转子刚度减小,系统失稳转速迅速降低。该文在高速浮环轴承-弹性转子稳定性整体建模和分析方面有较大的参考意义。     

应用模态分析及傅里叶变换的柔性转子无试重动平衡方法

针对旋转机械不平衡导致的振动问题,提出一种的柔性转子现场动平衡方法。其通过有限元理论建立转子系统动力学模型,并将系统运动微分方程按模态振型展开,利用FFT及IFFT变换,获取频域下不平衡载荷谱,最终识别转子不平衡状态。仿真和试验结果均表明,该方法仅需在低于临界转速的状态下采集振动响应数据,并且无需停机试重,就能准确识别转子不平衡状态,添加配重后可使转子各阶不平衡振动得到有效抑制。