外转子支点不同心的双转子系统振动特性

根据航空发动机双转子的结构特点建立双转子系统模型及振动方程。将外转子支点不同心的影响转化为支承上的等效不同心弯矩,并通过力矩分解处理得到系统的振动方程。利用求解效率较高的二维谐波平衡法进行求解,并采用Runge-Kutta法验证其求解精度。研究结果表明:外转子支点不同心使系统的幅频响应产生新的共振区,在该共振区内系统的振动响应中包含2倍频成分;随着不同心偏差量的增大,2倍频响应成分愈加明显,并逐渐成为系统振动响应的主导频率。此外,转子轴心轨迹形状改变显著。研究成果可作为不同心故障的动力学特征和诊断依据。     

基于多体接触瞬态动力学支承不同心模拟分析方法

以典型带中介轴承的发动机高压转子系统为研究对象,提出一种基于多体接触瞬态动力学的发动机转子支承不同心故障等效模拟分析方法,建立了高压转子-轴承-局部支承系统的多体动力学模型。在轴承受力分析的基础上,通过对接触运动状态非线性模拟和支承结构柔性化,研究了单个滚珠、滚珠与轴承外圈、轴承外圈与支承结构的瞬态接触力、力矩以及支承结构振动响应,得到不同心故障特征的产生机理和传递规律。结果表明:压紧区、松脱区以及单个滚动体与内外圈的相对位置变化产生的复杂相互作用是滚动体接触力复杂频率成分产生的直接原因;全部滚珠与外圈的瞬态接触力合力及合力矩是产生不同心故障特征的激励源;轴向振动工频及倍频是不同心故障的典型特征;轴向和径向2倍频、3倍频相对工频幅值的大小可表征不同心故障的严重程度。本文所得结果可为燃机不同心故障分析诊断提供参考。     

超静定转子系统不对中动力学的理论与实验研究

不对中是多支承转子系统最常见的故障之一,超静定转子系统(SIRS)由于结构的特殊性而对支点的不对中表现得更加敏感。航空发动机低压转子经常采用三支点支承的方式,当套齿连接结构径向定位间隙较小时,就会构成了一个含有3个弹性支承的超静定转子系统。结合力法和达朗贝尔虚功原理,推导了尾部支承不对中情况下超静定转子系统的动力学方程和解析解,计算获得了其振动响应。以航空发动机超静定转子系统为研究对象,对其完全对中和尾部支点不对中状态展开解析模型推导和实验验证工作。理论和实验结果均表明,该系统由于支点的不对中不仅会对转子的转子产生动态附加激励,还会引起系统2X振动响应和内"8"字形响应轴心轨迹,理论和实验结果吻合良好。该研究对超静定转子系统动力学不对中情况下的响应计算及实验研究有较强的指导价值。     

主动电磁轴承-柔性转子系统的不同位效应

在电磁轴承支承的柔性转子系统中，由于结构的限制，位移传感器无法安装在电磁轴承的中心位置，因而产生了传感器中心位置与电磁轴承中心位置的不同位问题。电磁轴承和位移传感器的不同位不仅会影响转子系统的振动控制性能，还会导致控制系统失稳。应用有限元法建立了电磁轴承-柔性转子系统的动力学模型；从转子系统动力学特性、开环传递函数的零极点、频率响应曲线以及根轨迹等四个角度分析了不同位对电磁轴承-柔性转子系统动力学特性的影响；用多输入多输出的状态方程确定了不稳定模态特征值的具体位置，提出了减小控制器增益和插入式自适应陷波器等抑制不稳定弯曲模态的方法；在电磁轴承-柔性转子试验台上进行了试验。仿真和试验结果表明：不同位效应会通过影响模态信号的衰减而影响转子系统的稳定性，所提出的方法可在一定程度上抑制不同位导致的弯曲模态的不稳定。     

支承非对称对双转子系统动力特性的影响规律

支承刚度非对称广泛存在于转子支承系统中,然而非对称支承对工程中双转子系统动力特性的复杂影响规律尚不明确。为此,以典型发动机同向转动的双转子支承系统为研究对象,根据该发动机薄壁柔性机匣支承的特点,提出支承非对称系数指标,研究了支承非对称存在与否及其变化对双转子支承系统临界转速、稳态不平衡响应、进动方向及进动轨迹的影响。研究发现:支承非对称的存在会导致与之相关的振型所对应的正进动临界转速增大、反进动临界转速减小;部分支点在反进动临界转速附近出现响应峰值并且伴随着进动平面内振动相位的变化;转子进动更为复杂,同一个转子上正反进动同时出现,转子特定节点的进动轨迹也会随转速产生较为复杂的变化;进一步研究发现,非对称系数的增大会使得出现反进动的转速和位置区域总体增大,但在特定转速或特定位置反进动区域也可能变小;所得规律可为发动机双转子系统复杂支承条件下的动力学设计及特殊振动现象产生原因阐释提供参考。     

高速柔性转子-非定心SFD系统响应特征分析与试验验证EI北大核心CSCD

航空发动机转子系统通常在支承处设置挤压油膜阻尼器(squeeze film damper,SFD)来实现系统减振设计,与定心SFD相比,非定心SFD结构简单紧凑,减振效果良好,但是具有更强的非线性特征,动力特性更为复杂。以某航空发动机动力涡轮转子为研究对象,建立了多支点高速柔性转子-非定心SFD系统非线性动力学模型,考虑了非定心SFD静偏心的影响,采用数值方法求解转子系统响应,结合系统不平衡响应特征、分岔图、庞家莱截面、频谱等,开展了系统非线性动力学特性研究,并通过了转子试验验证。研究结果表明,非定心SFD油膜间隙较大时,转子系统存在较强的非线性运动,频率成分丰富,减小油膜间隙能够使系统在跨临界后为单周期运动,降低系统的非线性不平衡响应;但过小的油膜间隙将导致转子系统峰值响应和对应的转速显著增大,转子可工作转速范围变小,合理的油膜间隙可以兼顾非线性振动响应和峰值转速较小,实现转子系统在大转速范围内长时间运行。     

某小型涡扇发动机柔性转子高速动平衡试验研究

试验研究某小型涡扇发动机柔性转子系统不同环境下的动力学特性;针对柔性转子的特点,采用多平面多转速影响系数法对该转子系统进行一、二阶高速动平衡试验.试验发现,真空环境下和大气环境下的动力学特性幅频特性有差异,但相频特性基本相同.结果表明,采用多平面多转速影响系数法能够有效实施柔性转子系统的高速动平衡,并且效果显著.     

带挤压油膜阻尼器双盘转子的动力学响应与支承优化

本文研究模拟低压转子的动力学响应及支承优化问题。首先基于发动机模拟低压转子,建立了弹性支承-两端带挤压油膜阻尼器的双盘转子动力学模型,推导了其运动微分方程。对于这个12维的动力学方程组,采用数值方法进行了求解,得到了其响应。转子系统的支承刚度对于其动力学响应影响很大,为了减小振动,采用多岛遗传算法与序列二次规划算法对转子系统的支承进行了多目标优化,得到了在工作转速下支承的最佳刚度。     

交角不对中转子-轴承系统非线性动力学行为研究

考虑转子交角不对中和质量不平衡等因素,研究了在滑动轴承支承下柔性转子-轴承耦合系统的非线性动力学行为。首先,基于转子间交角不对中的约束关系,利用第二类Lagrange方程推导了具有交角不对中故障的柔性多转子系统运动微分方程。采用数值方法,分析系统的非线性振动特性,例如,系统的轴心轨迹、响应频谱和最大Lyapunov指数等。结果表明:在较低转速时,系统主要呈现出与转速同步的周期运动特性。随着转速的提高,稳态响应在某些参数下出现分叉、跳跃以及混沌等非线性现象。最后讨论了交角不对中量以及质量不平衡对系统动力学特性的影响。     

具有轴承不对中故障的柔性非圆截面多转子系统非线性动力学行为

研究了具有轴承不对中故障的柔性非圆截面多转子系统的非线性动力学特性。首先在长轴承、微小不对中量和不平衡量等假设下,利用坐标变换推导出非圆截面多转子-轴承系统的非线性动力学模型。最后采用数值方法,重点分析了系统的非线性振动行为,例如稳态响应、轴心轨迹、Poincaré截面以及最大Lyapunov指数等。结果表明:在较低转速时,转子系统除存在与不平衡故障同步的工频外,还存在由于不对中引起的倍频以及组合频率成分等。随着转速的提高,系统出现倍周期分叉现象,混沌运动等复杂的非线性动力学行为。     

Failure analysis of a misaligned and unbalanced flexible rotor

Shaft misalignment and rotor unbalance are major concerns in rotating machinery. In order to understand the dynamic characteristics of these machinery faults, a model of a complete motor flexible-coupling rotor system capable of describing these failures was developed. Generalized system equations of motion for a rotor under misalignment and unbalance conditions were derived using the finite element method. A spectral method was developed for resolving the equation of motion. This allows one to obtain and analyze the dynamic response and consequently to identify misalignment and unbalance faults.     

滚动轴承转子系统不对中-碰摩耦合故障非线性动力学分析

为了获取转子系统不对中-碰摩耦合故障下的动力学特性,通过拉格朗日待定乘子法建立了在完整约束下滚动轴承转子系统非线性动力学微分方程,采用龙格库塔数值法研究了不对中-碰摩耦合故障下系统的动力学响应,采用时域图、轴心轨迹图、分叉图、Poincare截面图和FFT谱图分析了不对中度、碰摩刚度和碰摩间隙对转子振动响应的影响。分析结果表明:不对中度的增大会使系统1倍频振动响应增大,也会产生2倍、4倍等偶数倍频,同时出现与VC(Varying Compliance)频率之间的组合频率响应。在低转速下,碰摩刚度和碰摩间隙对转子系统的影响较小;在高转速下,较小的碰摩刚度和较大的碰摩间隙会缓解系统的非线性行为。     

Experimental identification of shaft misalignment in a turbo-generator system

Precise and authentic estimation of the dynamic features of rotating machines and prevention of failure requires accurate experimental characterisation of their critical components, for example, bearings and couplings. These are difficult to model theoretically, and they often suffer from uncertain parameters in their model. Especially, when there is a misalignment in the rotor system, dynamic characterisation of bearings and couplings changes drastically. In the present study, multiple fault parameters (MFPs) of critical components of turbo-generator, that is, bearing and coupling together with residual unbalances (RUs), are evaluated experimentally using model-based methodology. A test rig was developed and used for experimentation in which different levels of misalignment was introduced. After estimating the MFPs, then the accuracy was checked through an impact test on the rotor test rig. The effect of different levels of misalignments on estimated parameters was studied.     

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.     

内外双转子系统的支撑轴承的不对中分析

针对航空发动机内外双转子系统不对中问题,以某航空发动机转子系统为对象,运用转子动力学有限元分析方法,给出内外双转子系统中介轴承的处理方法,建立内外双转子系统动力学模型。通过数值计算,得到该双转子系统的固有频率和振型,对比分析考虑外转子(高压转子)支撑轴承不对中的转子振动响应。     

带柔性静子结构高速转子支承刚度修正方法

针对某涡轴发动机带柔性过渡段悬臂动力涡轮转子支承刚度的修正方法开展研究。以动力涡轮模拟转子为研究对象,建立了转子的有限元分析模型,基于SAMCEF分析软件计算得到了转子的前三阶临界转速和振型,在高速旋转试验器上完成了全转速范围内的动力特性试验,分析确认了柔性过渡段是导致模拟转子前两阶临界转速存在较大计算误差的主要原因,基于临界转速试验结果,提出了一种转子支承刚度的修正方法并对模拟转子的支承刚度进行了修正,推算得到了柔性过渡段的横向刚度。其次,以真实动力涡轮转子为研究对象,按修正方法对真实动力涡轮转子的支承刚度进行了修正,支承刚度修正后其前两阶临界转速的计算误差大幅减小,验证了该修正方法的正确性,修正后的计算模型很好地反映了真实转子的实际情况。研究工作对类似高速转子支承刚度的修正有重要的指导意义,可有效提高航空发动机带柔性静子结构高速柔性转子的建模精度。     

柔性驱动对转子碰摩运动特性的影响

建立了柔性驱动转子系统的动力学方程，通过求解方程得到了柔性驱动器的扭转响应和转子与定子碰摩后的冲击角加速度响应。讨论分析了柔性驱动在控制转子碰摩运动中的作用，发现转子的冲击角加速度随柔性驱动器扭转刚度的增大而增大，随柔性驱动器扭转刚度的减小而减小，说明在转子系统其他参数不变的情况下，可通过调整柔性驱动器的扭转刚度以达到提高转子运动稳定性的目的。     

考虑多间隙的齿轮柔性转子耦合系统非线性动力学分析

考虑齿侧间隙、轴承径向间隙,推导时变啮合刚度和时变轴承刚度,使用有限元法建立质量、刚度、阻尼矩阵并使用整体法组装,建立能够适用于复杂载荷的齿轮滚动轴承柔性转子系统非线性动力学模型。使用FPA修正法确定求解周期,采用Runge-Kutta法、Newton-Raphson法对非线性动力学方程组求解,求解最大Lyapunov指数判断系统的动力学行为。对动力学方程进行数值仿真,研究转速、齿侧间隙、转轴刚度、轴承径向间隙等参数对非线性动力学行为的影响。研究结果表明,随着齿侧间隙增大,齿轮系统会出现脱齿和挤齿现象,临界转速附近由拟周期运动进入混沌运动。随着转轴刚度降低,弯扭耦合振动临界转速减小,脱齿、挤齿和冲击现象逐渐减轻。随着径向间隙增大,轴承的非线性振动对系统的影响逐渐增大,轴承变刚度激励的幅值增大。     

不对中-不平衡故障影响下的几何非线性转子振动行为研究

为了研究大幅涡动过程中转轴的几何非线性,利用Hamilton原理建立了转轴的等效动力学模型,其中综合等效线性刚度和等效非线性刚度来反映转轴的几何非线性特征。在此基础上,考虑了齿式联轴器的不对中故障和转盘的不平衡故障,进一步研究了耦合故障作用下几何非线性转子系统的动力学行为。通过对比线性转子和非线性转子的响应差异,来分析转轴几何非线性对系统振动特性的潜在影响,并围绕联轴器的不对中程度、转轴半径和转轴长度等参数进行讨论。