基于流固耦合的箔片气体轴承动态特性分析

基于有限元软件ANSYS Workbench,建立箔片气体轴承在可压缩流体介质中运动的有限元模型,采用6DOF动网格计算方法对轴承的运动状态进行流固耦合数值模拟,探讨了不同转速和波箔片结构参数(波箔片的长度比、高度以及厚度)对轴承动态特性的影响规律。仿真结果表明:转速增加,轴承的承载能力增加,但稳定性有所下降,更容易发生失稳现象;选取波箔片的长度比在1~1.5之间、厚度为0.16 mm,既可以保证轴承具有较高的刚度,同时又能获得较大的阻尼;波箔片高度与轴承动态特性成反比关系。将仿真结果与试验结果进行对比,验证了仿真计算方法的正确性和有效性。同时本文的研究为优化波箔片结构,改善轴承动态特性,提高轴承运行稳定性提供理论依据。

流线隧道式涡轮增压器转子动力学特性分析

为研究流线隧道式涡轮对涡轮增压器转子动力学特性的影响,将某型号车用涡轮增压器叶片式涡轮替换为流线隧道式涡轮,建立了密封流体激振、叶尖间隙激振和隧道涡轮轮缘间隙激振耦合条件下的转子系统模型,计算分析了涡轮材料和轮缘间隙对转子临界转速、稳态响应以及瞬态响应的影响。结果表明,K418高温合金隧道涡轮转子一阶临界转速大幅降低,稳态响应稳定性较好,但瞬态响应振动剧烈、失稳,表明隧道涡轮采用K418高温合金需要调整结构设计;SiC陶瓷隧道涡轮转子一阶临界转速下降、稳态响应振幅增加,但对转子稳定性影响不大,二阶临界转速有微小增加,稳态响应振幅下降,瞬态响应稳定性较佳。

基础激励下磁悬浮转子振动响应研究

应用于移动载体上的磁悬浮转子会受到基础运动的激励作用产生振动,甚至会造成转、定子碰摩与系统失稳。为了探究基础激励下磁悬浮转子的振动响应,进行了数值仿真和试验验证。考虑磁悬浮轴承的闭环控制,建立了基础激励下的磁悬浮转子动力学模型,基础激励对转子的作用以附加广义力形式引入转子运动微分方程。通过数值仿真分析了基础简谐激励幅值和频率、基础冲击激励加速度与脉宽、磁悬浮轴承控制参数对转子振动响应的影响。进行了基础激励试验,试验结果与仿真结果吻合,验证了基础激励下磁悬浮转子模型的准确性。结果表明,转子简谐响应幅值与基础简谐激励频率的平方和激励幅值成正比,转子冲击响应峰值与基础冲击激励的加速度成正比,适当增大磁悬浮轴承控制器的比例系数和微分系数可以抑制基础激励引起的转子振动。

超临界二氧化碳系统用箔片气体动压轴承静特性研究

超临界二氧化碳动力循环系统对实现节能减排的目标有着十分积极的作用。针对一种箔片气体动压轴承结构建立了计算模型,并通过拟合非理想状态气体超临界二氧化碳的密度与压力之间的关系,基于传热学模型和气体润滑能量方程分析了轴承气膜温升,结合实际运行过程中出现的湍流效应修正润滑气体雷诺方程、耦合力学分析模型和能量方程,分析S-CO_(2)介质箔片气体动压轴承的静特性,并与空气作为介质进行对比分析不同系统参数和湍流参数对轴承特性的影响规律。结果表明:相较于空气而言,使用超临界二氧化碳作为润滑介质的箔片气体动压轴承具有较高的承载力,而且在一定范围内随着轴承直径和宽度的增加、偏心率的上升、轴承间隙的减小、转速的提高等,轴承承载力均可以增大;对于湍流影响因素来说,在一定范围内随着局部雷诺数和湍流系数的增加、气体动力黏度和密度的提高、高温环境下环境温度的降低等,轴承承载力将会增大。

吸振器与球平衡器并用控制转子不平衡振动的理论研究

球式自动平衡器(Automatic Ball Balancer,简称ABB)可以在临界转速以上区域完全消除转子未知不平衡量,但其缺点是在临界转速附近会引起大振幅的共振响应和不稳定振荡。为此增加动力吸振器(Dynamic Vibration Absorber,简称DVA)来克服其缺点,改善其抑振性能。以Jeffcott偏心转子模型为研究对象,根据拉格朗日方程建立了吸振器、球平衡器单独使用以及两者结合使用时控制转子不平衡振动的动力学方程,使用谐波平衡法理论求解新耦合系统的振幅表达式,并分析各参数对稳态幅频曲线的影响规律以获得较合适的参数,采用龙格-库塔数值方法计算得到稳态幅频特性图和瞬态振幅时域变化曲线。对比结果表明,两种手段并用的新方案有效降低了转子经过临界共振区时的振动水平,并使转子在临界转速以上区域衰减为零振幅,达到了融合两者优点的目的,具有更优良的抑振效果。

基础冲击作用下弹性支撑的电磁轴承-柔性转子系统振动特性及瞬态振动主动抑制策略

本文将电磁轴承-柔性转子系统安装在弹性支撑的基础上,研究了双半正弦波、半正弦波、正弦波、三角波和双三角波5种冲击激励下弹性支撑基础的振动特性,得到了不同冲击激励参数对弹性支撑基础的加速度的影响规律。为了抑制基础冲击激励条件下弹性支撑的电磁轴承-柔性转子系统的振动,提出了一种基于基础加速度的转子系统瞬态振动补偿控制策略。在设计的电磁轴承-柔性转子系统试验平台上,进行了多种冲击激励条件下弹性支撑基础的振动特性试验,以及安装在弹性支撑基础上的电磁轴承-柔性转子系统的瞬态振动抑制试验。结果表明:冲击激励下,弹性支撑基础的加速度和电磁轴承-柔性转子振动均表现出明显的冲击特征,振动的特性随着冲击激励形式的不同而变化。基于基础加速度的转子系统瞬态振动补偿控制策略能够有效地抑制基础冲击激励对转子振动的影响。

多级多重模态减缩策略及其在转子系统动力学特性分析上的应用

航空发动机转子部件众多,多部件高维复杂系统计算量大,导致动力学分析困难、计算时间长,进而影响转子结构设计和动力学验证的效率。基于部件模态综合方法,提出一种针对多部件高维复杂系统降维计算的多级模态减缩策略。对每个单独的子结构利用固定界面模态减缩,并行减缩各子结构的内部自由度,同时完整保留子结构间的耦合关系。通过子结构组合定义新一级的子结构,应用多级模态减缩策略提升降维减缩效果,结合多重模态减缩方法,构建界面分支模态,可显著降低转子有限元模型的维数,同时保留关键子结构的动力学特征和系统整体关键动力学特性。此计算策略被用于某弹用发动机转子系统低维减缩模型的建立,利用减缩模型提升了转子动力学分析的效率,加速轴承刚度参数的优化设计。研究结果表明,与ANSYS计算相比,转子动力学分析所需时间降低了99.5%,精度误差不超过0.1%,该计算策略可用于多部件高维复杂系统的快速分析。

含中介轴承波纹度的双转子系统振动特性分析

针对双转子系统中存在中介轴承波纹度的问题,以含变截面外转子的双转子-轴承系统为研究对象,考虑中介轴承滚动体和内、外圈滚道波纹度,基于有限元法建立了双转子-轴承系统的动力学模型,采用四阶Runge-Kutta数值解法求解方程,分析了波纹度激励对系统频谱特征和幅频响应曲线的影响。结果表明:内、外圈滚道存在波纹度时系统会出现内、外转子转频和保持架转频的组合频率,滚动体存在波纹度时系统会出现偶数倍的滚动体自转频率;考虑转子不平衡激励,外圈滚道波纹度会增大外转子主激励的共振区域的振动,且随着波纹度幅值的增加,系统的振动会在整个转速范围内增大,而内圈滚道波纹度与不平衡激励两者的振动响应会在内转子主激励的第二次共振区域出现近似同频反相的现象,系统的振动会随着波纹度幅值的增加而降低,在其他区域的振动会增大,相对于高转速区域,滚动体波纹度对低转速区域的振动特性会有较大影响。

搭接-叠片式箔片气体动压轴承转子动力学特性实验研究

本文研制了由搭接式径向轴承和叠片式推力轴承组成的一套搭接-叠片式箔片气体动压轴承,同时设计并搭建了相应的箔片气体动压轴承转子实验台,通过多组转子降速对比实验研究了所提出箔片气体动压轴承的起飞特性,分析了转子不平衡量和外部载荷对该轴承-转子系统的转子动力学影响。起飞实验结果表明,本文所研制的搭接式径向箔片气体动压轴承的起飞转速约为7500 r/min,最大起飞转矩约为220 N·mm。转子降速实验研究结果表明,随着转子不平衡量的增加,转子系统1X频振动幅值逐渐增大、二阶临界转速逐渐降低、次频振动发生频率逐渐提前;随着转子转速的增加,转子系统1X频振动呈现先增大后减小的趋势、次频振动幅值整体逐渐增大;在减小顶箔结构的圆心距后,转子系统稳定性增加。不平衡量与外部载荷加载耦合实验结果表明,不平衡量与外部载荷都会激起系统的次频振动,次频振动幅值随转速升高而增大;并且在激起次频振动方面,不平衡量与外部载荷之间存在着相互放大作用。

励磁绕组短路下关键运行参数差异对汽轮发电机转子动力学特性的影响

分析了励磁绕组短路下,关键运行参数差异对汽轮发电机转子动力学特性的影响。关键运行参数包括短路程度、短路位置,以及电机负载率;转子动力学特性包括转子不平衡磁拉力激励特性、径向振动响应特性,以及转子铁芯动力学响应规律。基于柔性转子不平衡磁拉力激励与振动响应的理论分析、有限元仿真计算,以及动模试验来探索不同运行参数造成动力学特性差异的规律。结果表明:正常情况下转子不平衡磁拉力趋于零,转子振动以常规基频和定子传递过来的各偶次倍频为主;励磁绕组匝间短路下,转子不平衡磁拉力及其振动响应将产生新的奇次倍频成分,且通频振动幅值增大。随着短路程度或负载的增加,转子不平衡磁拉力与振动响应的基频将增大;短路位置越靠近大齿处,转子不平衡磁拉力与振动幅值越大;转子铁芯大齿的外表面和内槽表面边沿为动力学响应的危险位置。

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。

含中介轴承的双转子系统动力学建模及振动分析

为了深入研究复杂工况下燃气轮机双转子系统的动力学特征,根据中介轴承对双转子系统的耦合作用,基于Ansys建立中介轴承-双转子系统三维实体有限元模型,进行仿真模拟。考虑内外转子转速、负载、偏心、接触及摩擦等因素,计算整个系统的固有振动特性及临界转速,并与试验结果进行对比验证。计算双转子系统在不同转速下的振动响应,分析其不平衡振动耦合特性规律,为工程实际中转子系统的设计提供参考。

含轴承倾斜不对中的行星轮系‑转子系统动态特性研究

针对某履带车辆汇流行星排传动系统支撑轴承存在的安装不对中问题,建立了含轴承倾斜不对中的行星轮系⁃转子系统动力学方程。理论推导了可考虑球轴承分别处于内/外圈倾斜不对中故障条件下的轴承力模型。将该模型与行星轮系集中质量模型以及转子有限元模型耦合,得到了行星排传动系统动力学模型。分析了轴承不对中对系统动态特性的影响,并讨论了滚道曲率半径和轴承间隙等参数对系统动力学特性的演变规律。结果表明,倾斜不对中使轴承接触力急剧增大;接触角、接触刚度、轴承间隙产生周期性波动;变柔度振动频率幅值增大,系统振幅降低。提高滚道曲率半径和轴承初始间隙会增大变柔度振动。但适当选择较大的轴承间隙,可抵消轴承安装不对中造成的不利影响。

转子许用剩余不平衡量的分析与试验

针对转子平衡问题,分析了目前国际上常用的确定许用剩余不平衡量的方法,探讨了各标准及相关方法的原理、出发点及发展历史,明确了不同计算方法中各物理量的含义,提出了在使用不同方法时的注意事项和建议,比较了各方法所得出的许用剩余不平衡量引起的不平衡力以及所占轴颈静载荷的百分比。通过试验验证了许用剩余不平衡量对高速叶轮机械振动和温度的影响。对于常用的平衡品质级别:在现有常用动平衡机能达到的灵敏度内,美国石油协会(American Petroleum Institute,简称API)规定的许用剩余不平衡量最小,对轴承寿命的影响也最小;工程应用中,需考虑动平衡机的灵敏度,以确定合适的许用剩余不平衡量;许用剩余不平衡量应按照相应的准则分配到校正平面;确定许用剩余不平衡量的各方法所用公式中物理量的含义各不相同,具有较强的行业特征和时代特征,其中API考虑了动平衡机的灵敏度水平,更具技术先进性、经济性、可操作性及应用参考价值。

滑动轴承转子系统轴心位置的精确表征

针对目前主轴轴心位置的表征存在明显误差的问题,分析了误差产生的原因,提出了轴心位置的精确表征方法。通过厘清主轴轴心与轴承中心的几何位置关系,分2种情况建立轴心实际位置(Δ_(x0),Δ_(y0))与轴承表面偏移量Δ_(x)和Δ_(y)之间的映射关系,实现了主轴轴心位置的精确表征,并通过算例验证了本文所提方法的有效性。

基础松动-碰摩转子系统的混沌特性研究

建立了带有支座松动故障的转子系统局部碰摩动力学模型 ,利用数值积分和 Poincaré映射方法 ,对转子系统由于支座松动与局部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 ,给出了系统响应随转子转动频率和偏心量变化的分岔图和最大 L yapunov指数图 ,分析了基础松动质量对转子系统动力学行为的影响 ,以及一些典型的 Poincaré截面图、相平面图、轴心轨迹和幅值谱图等。通过对某风机发生碰摩与基础松动耦合故障时的实测结果验证了数值分析的正确性。研究结果为旋转机械的故障诊断提供了理论基础和参考。

转子系统瞬态不平衡响应的有限元分析

推导了简单Jeffcott转子几何中心运动的解析表达式及转子系统瞬态振动的幅值 ,详细讨论了转子系统通过临界转速时初始条件引起的瞬态振动、同频振动和伴随自由振动的特性以及阻尼和启动加速度对系统瞬态响应的影响。此外建立了弹性转子系统的有限元模型 ,通过直接积分法求得系统的瞬态响应 ,得到系统通过临界转速时的共振幅值 ,并与试验取得一致的结果。本文的分析对工程中合理地进行转子系统参数设计 ,考虑共振区的迟滞现象 。

刚性联接平行不对中转子系统振动特性

考虑刚性联轴节不对中和圆盘不平衡等因素,建立了不对中转子系统动力学模型,推导出系统运动微分方程。对运动微分方程进行数值积分,分析不对中转子系统的动力学行为。数值结果显示,刚性联轴节平行不对中时,故障特征频率主要成分为1X分量;振动经过充分衰减后,转子系统轴心轨迹是比较稳定的圆;随着质量偏心、平行不对中量的变化,驱动轴振动幅度可能大于从动轴振幅;平行不对中对支承刚度较小的转子系统的动态响应影响较大。

计算多转子系统临界转速的整体传递矩阵法

提出了整体传递矩阵法中耦合单元的概念,导出了各向同性和各向异性耦合单元的传递矩阵,并给出了几个算例. 整体传递矩阵法是取各转子状态向量的集合作为系统的状态向量,各转子同时对系统状态向量进行传递,求得多转子轴系的整体传递矩阵方程,代入整体边界条件进行求解即可得到多转子轴系的临界转速. 与子结构传递矩阵法相比,整体传递矩阵法不必将多转子系统在耦合单元处分割开来,不引入未知内力和位移,也不必建立分割处的平衡方程或变形协调条件.

非线性刚度转子系统碰摩的混沌行为

以线性项和立方项之和来表示转轴材料的物理非线性因素 ,建立了具有非线性刚度轴的转子系统局部碰摩动力学模型 ,利用数值积分和Poincar啨映射方法 ,对转子系统由于局部碰摩故障导致的非线性动力学行为进行了研究 ,给出了系统响应随转子转动频率比变化的分岔图和最大Lyapunov指数图 ,以及一些典型的Poincar啨截面图、相平面图、轴心轨?头灯淄嫉?,从中发现此类非线性振动系统具有周期、拟周期和混沌等复杂的动力学行为 ,研究结果为此类系统的安全运行和有效识别转子故障提供了理论参考·