复杂转子-轴承系统非线性动力学特性分析

针对现有方法在求解复杂转子-轴承系统非线性动力学特性时的不足,提出了基于动网格技术的计算流体力学和转子动力学相结合的流固耦合计算方法。首先建立滑动轴承轴心轨迹的运动方程,然后采用动网格技术对滑动轴承流场进行非线性瞬态计算,得到动态载荷作用下转子-轴承系统的轴心轨迹。最后,通过对某复杂转子-轴承系统非线性动力学特性的分析对本文方法进行了验证。结果表明,方法能够准确分析复杂转子-轴承系统非线性动力学特性并可求得其轴心轨迹。     

一种滑动轴承油膜性能计算的动网格方法

针对应用动网格方法计算油膜轴承性能时出现网格扭曲而导致累计误差过大的现象,提出了一种基于计算流体动力学(CFD)的滑动轴承油膜性能计算的动网格更新方法。该方法保证了网格更新过程中膜厚方向的网格线沿圆周方向上等均分布,且始终垂直于轴颈表面,网格不发生扭曲变形,减小了计算累计误差,提高了轴承性能计算的准确性。通过与典型算例和实验结果对比,验证了所提方法在轴承的油膜力和转子静平衡位置计算中的有效性、可行性和稳定性,并利用该方法分析了进油压力和载荷对油膜轴承所支撑转子静平衡位置的影响。该方法可为准确计算油膜轴承转子系统的性能提供参考。     

弹性转子的轴心轨迹

研究了非线性弹性转子 -轴承系统的轴心轨迹 ,认为对称不平衡转子是连续弹性轴 ,它两端支撑在滑动轴承上 ,油膜反力采用非线性短轴承模型。推导出了系统的非线性运动方程 ,所求方程的近似周期解即为轴心轨迹。给出在某些参数下轴迹的数值计算结果     

液体动静压球轴承轴心运动轨迹研究

为研究外载荷对轴承转子系统稳定性的影响,以小孔节流的液体动静压球轴承转子系统为研究对象,建立液体动静压球轴承转子系统动力学模型。通过求解轴承润滑数学模型获得非线性油膜力,分析转子所受到的外载荷,采用欧拉算法预测出轴心下一个时刻位移、速度和加速度,并分析转子系统质量、不平衡载荷和阶跃载荷对转子回转精度的影响。结果表明：随着转子系统质量的增加,所需平衡的油膜力增加,轴心振动幅度增加,从而导致转子回转精度降低;相对于不考虑不平衡载荷,考虑不平衡载荷后其振动形态为椭圆且振动幅值增大,减小不平衡值将减小振幅并提高旋转精度;随着阶跃载荷的增加,达到平衡所需的时间也增加。     

挤压油膜阻尼器对滑动轴承-转子系统的影响

建立了转子-挤压油膜阻尼器-滑动轴承系统的动力学计算模型,分析了挤压油膜阻尼器对滑动轴承-转子系统的强迫振动的影响、挤压油膜阻尼器的刚度和阻尼搭配关系以及转子-挤压油膜阻尼器-滑动轴承系统的自由振动稳定性问题。研究结果表明,合理的外弹性支承可以使系统的振幅得到有效控制,而且也提高了系统的稳定性;如要减小系统的振幅可以通过一个低的支承刚度和一个合适的阻尼来实现。在小的支撑刚度的情况下,存在一个很宽的支承阻尼域,此域可以获得低幅值的不平衡响应。     

转子轴承系统油膜力特征的非线性动力学分析

建立了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了研究,应用数值方法得到转子-轴承系统的油膜力大小随转子回转角速度Ω变化的曲线,得出油膜力的形状及刚度与转速密切相关;根据油膜力-位移曲线,显示出油膜力的强非线性.为有效诊断滑动轴承支撑下的转子-轴承系统油膜涡动故障提供了理论依据.     

可倾瓦轴承参数及工作参数对转子系统振动性能的影响

为研究可倾瓦轴承参数及工作参数对转子系统振动特性的影响,提出了一种可倾瓦轴承-转子系统轴心轨迹理论计算方法,在不同基础静载荷、间隙比及润滑油黏度下对转子轴颈处轴心轨迹进行分析。结果表明:提高可倾瓦轴承的基础静载荷,减小轴承间隙比,降低润滑油黏度可以减小转子轴颈振幅,提高转子系统的稳定性。     

移动载体上电磁轴承-转子系统的基础激励振动主动抑制

安装在移动载体上的电磁轴承-转子系统往往会受到来自其承载基础的振动激励干扰。对单自由度支承模型和多自由度转子模型在基础激励条件下的动力学响应进行比较分析,认为可以将基础激励引起的电磁轴承-转子系统定转子之间的相对运动等效为一个由基础加速度决定的强迫振动。提出一种基于基础加速度信号作为参考信号的自适应滤波器的电磁轴承-刚性转子系统基础激励响应抑制方法,并分析该方法抑制各种类型振动的有效范围,所需滤波器的阶数,以及滤波器自适应收敛的最佳权值。在电磁轴承-转子系统试验平台上进行试验,结果表明提出的控制方法对稳定的基础激励造成的转子振动响应能有效抑制,强制定转子间隙保持稳定,避免碰撞。     

基于显式有限元的转子不平衡与轴承故障耦合分析

为分析转子不平衡与轴承故障耦合振动特征及产生机理,在对转子不平衡与轴承故障耦合状态下受力分析的基础上,基于虚位移原理的增广拉格朗日法建立轴承运动控制方程,运用LS-DYNA建立转子-轴承系统二维显式动力学有限元模型,分析了故障耦合状态下轴承振动加速度、转子轴心运动轨迹,探明了转子不平衡-轴承缺陷耦合故障冲击响应特征及转子轴心运动轨迹突变机理,并通过试验进行了验证。结果表明:转子不平衡与轴承外圈故障耦合状态下,轴承座测点位置故障特征频率被转频调制,冲击幅值随转频变化;转子轴心轨迹呈椭圆形,且缺陷位于轴承承载区时,转子轴心轨迹存在突变。     

高速高效离心式鼓风机转子系统动力学分析

基于转子动力学原理,以高速高效离心式鼓风机增速齿轮箱的滑动轴承-转子系统为研究对象,针对滑动轴承非线性动压油膜力在高速时容易引起转子振动的问题,采用ANSYS的热力学分析模块,利用APDL编程语言,求解滑动轴承非线性的动压油膜力,并基于转子动力学的理论建立高速滑动轴承-转子系统的动力学模型,由此求得高速转子的振幅。最后通过高速高效离心式鼓风机增速齿轮箱振动测试试验,验证了高速滑动轴承-转子系统的高速稳定性。     

Application of computational fluid dynamics and fluid structure interaction techniques for calculating the 3D transient flow of journal bearings coupled with rotor systems

Journal bearings are important parts to keep the high dynamic performance of rotor machinery. Some methods have already been proposed to analysis the flow field of journal bearings, and in most of these methods simplified physical model and classic Reynolds equation are always applied. While the application of the general computational fluid dynamics (CFD)-fluid structure interaction (FSI) techniques is more beneficial for analysis of the fluid field in a journal bearing when more detailed solutions are needed. This paper deals with the quasi-coupling calculation of transient fluid dynamics of oil film in journal bearings and rotor dynamics with CFD-FSI techniques. The fluid dynamics of oil film is calculated by applying the so-called ’’dynamic mesh’’ technique. A new mesh movement approach is presented while the dynamic mesh models provided by FLUENT are not suitable for the transient oil flow in journal bearings. The proposed mesh movement approach is based on the structured mesh. When the journal moves, the movement distance of every grid in the flow field of bearing can be calculated, and then the update of the volume mesh can be handled automatically by user defined function (UDF). The journal displacement at each time step is obtained by solving the moving equations of the rotor-bearing system under the known oil film force condition. A case study is carried out to calculate the locus of the journal center and pressure distribution of the journal in order to prove the feasibility of this method. The calculating results indicate that the proposed method can predict the transient flow field of a journal bearing in a rotor-bearing system where more realistic models are involved. The presented calculation method provides a basis for studying the nonlinear dynamic behavior of a general rotor-bearing system.     

Stiffness and damping coefficients for journal bearing using the 3D transient flow calculation

The dynamic coefficients of journal bearing are necessary components in the analysis of linear stability and response of rotating dynamic systems. We propose a new method for the numerical identification of bearing support force coefficients in flexible rotor-bearing systems based on the 3D transient flow calculation. The CFD commercial software FLUENT is mainly used in this simulation, which employs a finite volume method for the discretization of the Navier-Stokes equations. To determine the dynamic coefficients, a new mesh movement approach is presented to update the volume mesh when the journal moves during the 3D transient flow calculation of a journal bearing. Existing dynamic mesh models provided by FLUENT are not suitable for the transient oil flow in journal bearings. Measurements and identification are performed on a test rotor supported on a pair of identical two-lobe fluid film bearings, and the results obtained from the CFD methods agree well with experimental results. The results indicate that the methods proposed in this paper can predict the dynamic coefficients of the journal bearing in a rotor-bearing system effectively, and provide a further tool for stability analysis.     

GMA油膜轴承动态控制轴心轨迹的试验研究

介绍了一种基于超磁致伸缩驱动器(GMA)的油膜轴承试验台的工作原理,完成了GMA油膜轴承所支撑转子的轴心轨迹动态控制试验。试验结果表明,选择合适的控制电流和相位差后,该油膜轴承能够动态抑制所支撑转子的工频振动,明显缩小所支撑转子的轴心运动轨迹;对于某控制电流,存在一个能使系统的工频振动幅值最小的最佳相位差;随着控制电流的增大,最佳相位差有增加的趋势。试验结果证实了GMA油膜轴承具有强的轴心轨迹控制功能,能够抑制所支撑转子的振动,具有高的位置精度和旋转精度。     

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。     

一种椭圆弧面轴承的变流域结构化动网格方法

为了对椭圆弧面轴承进行仿真，提出一种针对椭圆弧面轴承的变流域结构化动网格方法，保证椭圆弧面轴承中油膜间隙网格随着轴颈的动态移动而规律性变化。在此基础上建立多流域 转子动力学方程耦合，计算得到轴心轨迹、压力分布等参数，并与传统椭圆轴承进行了对比。结果表明，该方法能够正确反映滑动轴承的基本特性。     

基于GMA的可控油膜轴承试验研究

介绍了一种基于超磁致驱动器(GMA)的可控油膜轴承和以该轴承为支撑的转子-轴承系统试验台的结构和工作原理,在搭建的试验台上完成了GMA可控油膜轴承的静态性能测试试验。试验结果表明,通过改变GMA的偏置电流,该GMA可控油膜轴承能有效的把不同工况下转子的静平衡位置调整到同一位置,使可控径向油膜轴承支撑的转子具有较好的自动调心功能和较高的位置定位精度。     

GMA可控油膜轴承-转子系统不平衡响应的理论研究

论述了基于超磁致伸缩驱动器(GMA)的可控油膜轴承的工作原理,建立了该油膜轴承-弹性转子系统的数学模型,模拟了控制相位和增益改变对系统不平衡振动的影响.计算结果表明带有GMA的可控油膜轴承能够减小系统的工频振动和半频涡动,提高系统的稳定性.控制增益和相位差的改变对系统的工频振动结果影响较大,而且对同一个控制增益,存在一个最佳的相位差,使系统的不平衡振动最小.     

可控阻尼磁流体滑动轴承的设计及减振性能研究

设计一种具有可控阻尼效应的铁磁流体轴承。该新型磁流体轴承采用阻尼可控磁流体代替传统普通滑动轴承内外环间隙中的润滑油,可通过外磁场调节内磁流体的黏度阻尼,来控制轴承的振动。建立由伺服电机、涡流传感器和数据采集系统组成的磁流体轴承性能测试系统,研究不同转速和电流下轴承的振动情况。结果表明:在外磁场作用下,磁流体轴承的振动幅度明显减小;同时施加的电流越大,对振幅的抑制作用越明显,表明磁流体滑动轴承的减振效果明显,且其阻尼是可控的。     

基于动网格方法的油膜轴承性能的研究

考虑气穴的影响,建立了油膜轴承所支撑转子系统的动力学模型,并利用新的动网格更新方法,编制了求解油膜轴承压力分布、转子静平衡位置以及轴心轨迹的程序,验证了其正确性。利用该程序考察了气穴压力和转速对油膜轴承压力分布和所支撑转子的轴心静平衡位置的影响。计算结果表明,在相同的速度和载荷下,随着气化压力升高,轴承偏心率和最大油膜压力增大,偏位角减小,并且最大油膜压力的周向位置受气化压力的影响较小;而在相同的载荷下,转速对转子静平衡位置影响较大,并随着转速增加,轴承偏心率减小,偏位角增加。