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。     

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.     

滚动轴承-转子系统非线性参数、强迫联合振动

建立考虑非线性轴承力、径向游隙、变柔度等非线性因素和不平衡力的滚动轴承-转子系统动力学方程,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,分析参数、强迫联合激励的滚动轴承-转子系统的响应、分岔和混沌等非线性动力特性.结果表明,滚动轴承-转子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;随着径向游隙的增大,转子系统的非线性特性增强;不平衡力较小时,系统中参数振动占主导地位,增大不平衡力有利于抑制转子系统的不稳定振动.随不平衡力的增大,强迫振动逐渐增强,大的不平衡力会诱发系统产生混沌振动;转子系统进入混沌的主要途径是倍周期分岔.     

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。     

高速滚动轴承-转子系统时变轴承刚度及振动响应分析

高速滚动轴承广泛应用于机床主轴、航空发动机等转子系统中。在复杂运行工况下,滚动轴承的刚度表现出强烈的时变特性和非线性特性,往往是系统非线性的主要根源。考虑离心力、陀螺力矩、轴承内圈离心膨胀和热变形等因素,建立高速滚动轴承力学模型,计算轴承的时变刚度。将滚动轴承非线性模型与转子有限元模型集成,建立滚动轴承-转子耦合系统动力学模型。以FAG角接触球轴承(HCB7012E)为例,分别计算静载荷作用下的内外圈轴向、径向相对位移,并与舍弗勒轴承分析软件BearinX?的计算结果进行比较,验证了模型对静态位移仿真的精度。在不同轴承预紧状态下,仿真滚动轴承-转子系统在不平衡激励下的振动响应,并与试验结果比较,验证了模型仿真系统动态响应的精度。利用一个背对背安装的角接触球轴承-转子系统,研究在静载荷、不平衡载荷激励作用下滚动轴承刚度的变化规律,并计算时变轴承刚度作用下转子的时域振动响应及频域特征,为高速滚动轴承-转子系统设计、动力学分析与故障诊断提供依据。     

质量慢变转子-滚动轴承系统的支承松动故障分析

根据转子动力学、非线性动力学及Hertz理论,建立了带有一端支座松动故障的滚动轴承—质量慢变转子系统的非线性动力学模型。通过数值积分和Poincare映射方法对其非线性动力学行为进行了数值仿真研究,给出了系统响应随转子转动频率变化的分岔图和一些典型的轴心轨迹图及Poincare截面图,分析了转动频率对转子系统动力学行为的影响。结论表明,转子系统在滚动轴承、支承松动和质量慢变的同时作用下具有复杂的动力学行为,转子系统的起始松动频率为0.6倍的固有频率,转子的周期运动均为多周期运动,转子圆盘和松动质量的运动特性均不稳定等。     

转子-轴承-密封耦合系统的非线性振动特性研究

结合短轴承非线性油膜力模型和Muszynska密封力模型,运用数值积分方法分析了转子-轴承-密封耦合系统的非线性动力学特性,针对转速对耦合系统动态响应的影响进行了仿真计算,并利用转子中心分岔图、轨迹图、Poincare映射图、功率谱图分析了耦合系统的非线性动力学特性.理论分析表明:随着转速的变化,耦合系统呈现复杂的动力学行为,产生了包括单周期、3倍周期、拟周期等振动现象.     

裂纹角的大小对裂纹转子振动特性的影响

将离心叶轮转子系统简化为Jeffcott转子系统,在考虑非线性油膜力的基础上,综合考虑了系统的流体激振力,建立了含有裂纹故障转子的动力学模型。运用数值积分法分析了不同裂纹角下系统响应随转速变化的分岔图、相图和Poincare映射图等,结果表明,裂纹深度一定的情况下,随着裂纹角的增大,流体激振力和非线性油膜力对转子系统分岔特性的影响也逐渐增大。     

刚度变化下直升机行星齿轮-转子系统非线性动力学

建立了行星齿轮-转子系统的非线性动力学模型,系统模型将内啮合刚度嵌入齿圈刚度进行建模,考虑了转子扭转效应、齿侧间隙、时变啮合刚度和综合传动误差等因素.采用分岔图、最大李雅普诺夫指数(LLE)、庞加莱截面图和相图来分析响应特征.研究齿轮与转子间扭转振动位移响应,分析了旋翼轴与传动轴扭转刚度比变化影响规律.研究发现,系统具有非线性动力学特性,通过准周期分岔和倍周期分岔进入混沌运动,获得了系统避免失稳的刚度比阈值区间.研究为直升机主减速器行星齿轮-转子系统的动力学设计和扭转振动控制提供了参考.     

The nonlinear and ball pass effects of a ball bearing on rotor vibration

A ball bearing is generally assumed as a linear spring in rotor dynamic analysis. In real case, the force equilibrium of the bearing is changed as the relative position, of each ball with respect to the direction of radial force. So, the stiffness of the bearing is also changed and is a function of time and position. In this study, the nonlinear characteristics of a ball bearing are considered in analyzing the vibration response of a rotating shaft due to an unbalance force. A finite element method is used to analyze the vibration characteristics of a rotor-bearing system and a direct numerical integration is performed to calculate the transient response of the rotor system. The responses are converted to the frequency domain and the effects of the parametric excitation due to a ball bearing are examined. The test rig for the investigation of the effect of a ball bearing on the rotor vibration is set up and the results are compared with those of numerical calculation. The calculation results show that the amplitudes of the nonlinear model are larger than those of the linear one. The frequencies of the calculations can be matched to the measured frequencies.     

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。     

A novel nonlinear model of rotor/bearing/seal system and numerical analysis

A novel nonlinear model of rotor/bearing/seal system based on the Hamilton principle is proposed for steam turbine systems in power plants. The Musznyska model and unsteady bearing oil-film force model were applied to describe the nonlinear steam excitation force and oil-film force. The Runge-Kutta method was used to solve the motion equation of the rotor/seal/bearing system. The dynamic characteristics of the rotor/bearing/seal system were analyzed with bifurcation diagrams, time-history diagrams, trajectory diagrams, Poincare maps and frequency spectrums. The numerical analysis indicates that the seal force and the oil-film force influence the nonlinear dynamic characteristics of the rotor system. With the increase of rotation speed, the rotor system exhibits rich forms of periodic, double-periodic, multi-periodic, quasi-periodic and chaotic motion. The combined impact of steam excitation force and bearing oil-film force may cause a severe vibration which seriously affects the safety and stability of the rotor. The presented model provides a theoretic foundation for further research on the ultra-supercritical steam turbines.     

带有支座松动故障的离心泵叶轮转子分岔特性分析

将离心泵叶轮转子系统简化为中间带有刚性圆盘的柔性转子,在引入非线性横向流体激振力的条件下,建立带有支座松动故障的不平衡离心叶轮转子在非线性轴承油膜力作用下的振动模型,并推导系统的无量纲运动方程.运用数值积分法研究系统的分岔特性,分析横向流体激振力以及松动端轴承支座质量对该类离心泵叶轮转子系统非线性动力学特性的影响.     

柔性转子滚动轴承系统混沌行为研究

研究了滚动轴承支承的柔性转子系统的混沌行为。考虑空间Euler-Bernoulli杆单元、刚性圆盘、圆柱滚子轴承非线性接触力、不平衡力,使用有限单元法建立了柔性转子轴承系统的非线性动力学方程组。根据FPA修正法确定求解周期,采用Runge-Kutta法、Newton-Raphson法求解非线性动力学方程组,用获得的系统最大Lyapunov指数判断系统的混沌行为。以某滚子轴承柔性转子系统为例,研究了该类转子系统在径向间隙、不平衡力、转轴刚度比对柔性转子系统混沌特性的影响规律,发现随着轴承径向间隙的增大,系统的混沌区间逐渐增大、变多。不平衡力的存在使得系统混沌的转速及范围变大。随着刚度比增大,振幅峰值及对应的转速均逐渐增大,系统混沌区间也增多,轴承非线性振动对柔性转子系统非线性行为的影响逐渐增强。     

松动对碰摩转子-轴承系统非线性特性的影响研究

在同时考虑轴承油膜力和碰摩发生时转子与定子之间的相对滑动速度对非线性摩擦力的影响基础上,构造了含有松动和碰摩故障转子系统的动力学模型,对转子 轴承系统由松动和碰摩耦合故障导致的非线性动力学行为进行了数值仿真研究,发现该类系统在运行过程中存在周期运动、拟周期运动和混沌运动等丰富的非线性现象,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。     

Stability analysis of a rotor bearing system due to surface waviness and number of balls

In the paper, the stability analysis of a rigid rotor supported by ball bearings has been studied. In the analytical formulation, the contacts between balls and races are considered as nonlinear springs, whose stiffnesses are obtained by using Hertzian elastic contact deformation theory. The implicit type numerical integration technique Newmark-β with Newton–Raphson method is used to solve the nonlinear differential equations iteratively. The effects of surface waviness and the varying number of balls on stability of rotor bearing system are observed. All results presented in form of fast fourier transformations show that the vibration characteristics of the rotor and its bearings change, when the bearings operate in different regions of their nonlinear load deflection characteristics. From the analysis, it is implied that the number of balls and number of waves in the ball bearing are two important governing parameters affecting its dynamic behavior.     

斜齿轮柔性转子轴承系统非线性动力学分析

考虑齿侧间隙、轴承径向间隙、齿轮不平衡力,使用有限元法建立质量矩阵、刚度矩阵、阻尼矩阵并组装成整体参数矩阵,建立了适用于斜齿轮柔性转子滚动轴承系统的非线性动力学模型。采用Runge-Kutta法求解,并分析系统的动力学行为。研究了转速、转轴刚度、不平衡力对斜齿轮系统非线性动力学行为的影响规律。结果表明：随着转速的变化,系统将经历周期、拟周期、混沌等多种运动状态;随着转轴刚度的减小,混沌运动的区间减小,振幅大小发生改变;不平衡力增大后,系统混沌区间增大,混沌运动的区间也发生改变。     

含柔性转子的齿轮-轴承系统动态特性分析

为了分析齿轮系统动力学中的全耦合振动,提出采用虚拟样机建模的方法,将柔性转子引入到啮合耦合系统中,考虑齿轮时变啮合刚度、齿侧间隙和轴承间隙的影响,建立齿轮-柔性转子-轴承系统虚拟样机模型,通过求解模型的动力学方程得到系统的非线性动力学响应。仿真结果表明:考虑柔性转子的耦合系统,啮合冲击峰值下降明显;转子柔性增加,齿轮低频扭转振动出现"拍"现象;高速轻载时啮合振动非线性特性增强;轴承间隙增大使啮合力振动幅值显著增大。