动压气体轴承-转子系统的分岔和混沌

基于非线性动力学理论,研究了气体动压轴承-转子系统的不平衡响应及分岔行为。建立了与时间相关的非线性气体动压轴承的压力分布模型和气体动压轴承-刚性Jeffcott转子系统的动力学模型。运用有限差分法和逐次超松弛迭代法求解动压气体润滑雷诺方程;运用轨迹图、Poincaré映射图、时间历程图、频谱图和分岔图研究了有限宽气体轴承支承的非线性转子系统的不平衡响应及分岔;数值模拟结果揭示了系统存在复杂多样的非线性现象,这对气体润滑轴承支承的实际轴承—转子系统的设计提供了理论依据。

动压气体轴承-转子系统稳定性分析

本文建立了普通圆柱型动压气体轴承支承的单盘转子系统模型,写出了系统的运动方程,并引用气体轴承的动力特性数值分析所得到的8个动力特性系数,利用Routh-Hurwitz准则,研究了系统的稳定性,计算表明所设计的轴承-转子系统在设计转速范围内的运转是稳定的。讨论了气体轴承结构参数偏心率,长径比及平均径向间隙对稳定性的影响,得出了应当采用小偏心率,小长径比,大平均径向间隙提高轴承转子系统稳定性的结论。

箔片动压气体轴承-转子系统的振动特性试验

基于轴承-转子系统的非线性响应,搭建箔片动压气体轴承-转子系统振动试验平台,结合时域图、频谱图、轴心轨迹图和时间-频率-幅值三维谱图分析轴承-转子系统升、降速过程中运行状态的变化情况,研究轴承-转子系统运行过程中的非线性振动特性以及升、降速率对低频振动的影响。试验结果表明:在箔片动压气体轴承转子系统升、降速过程中,较高的升速率和较低的降速率均可以有效抑制低频能量的聚集,减小或者避免低频振动的产生;较高的升速率可以提高锁频振动发生时的工频,较低的降速率能够在工频较高时结束锁频振动现象。

箔片动压气体轴承转子系统动态特性试验研究

在箔片动压气体轴承的润滑分析模型和动态特性数学模型基础上,结合牛顿力学方程,建立箔片动压气体轴承-转子系统动力学方程,并研究其刚度和阻尼系数的计算方法;试验测量箔片动压气体轴承-转子系统的振动及速度,计算其刚度和阻尼系数;结合图谱法分析箔片动压气体轴承-转子系统在升速过程中的线性失稳和非线性失稳现象,研究转速对其刚度和阻尼系数的影响规律。结果表明:箔片动压气体轴承-转子系统主刚度系数整体随着转速的升高而增大,而交叉刚度整体随着转速的增加而减小且变化趋势相对较为平缓;阻尼系数整体随转速的提高而减小;系统自身阻尼抑制了扰动和低频能量的聚集,避免了箔片振动发生,从而有效地提高了系统运行的稳定性。提出的动态特性系数计算方法结合气体润滑理论与动力学模型,并结合试验测试,可以有效地获得轴承-转子系统的动态特性。

气体动压轴承-转子动力系统稳定性及分岔

基于非线性动力学理论,研究了普通圆柱型径向气体动压轴承支承的转子动力系统的运动稳定性和分岔.建立了气体动压轴承-Jeffcott转子系统的力学模型,并采用有限元方法逼近非定常气体雷诺方程,得到任意时刻的气膜力;数值模拟该非线性动力系统的长期行为,得到了轴颈中心的运动轨迹;并采用轨迹图、相图、分岔图以及功率谱等,研究了系统的非线性行为以及不平衡响应的稳定性.研究结果表明:该方法对气体轴承中存在的气膜涡动问题能够给予合理的解释.

离心压缩机气体箔片轴承-转子系统设计与试验

氢燃料电池汽车离心空压机采用气体箔片轴承-转子系统,具有超高转速、清洁无油的运行等显著优势。然而,当前气体箔片轴承-转子系统的全面研发设计理论严重匮乏亟待解决。为此,提出了一种气体箔片轴承-转子系统的研发设计方案。基于经验公式和性能试验台,开展了氢燃料电池汽车离心空压机中气体箔片轴承-转子系统的设计与试验研究。结果表明:该设计方案可以有效保证空压机在全转速范围内的性能要求,其最大转速可达90000 r/min,最大压比和质量流量分别为3.53和0.156 kg/s。

基于流固耦合气体轴承-转子系统的动态特性分析

机床切削过程中所受的切削力可假设为稳态力和动态扰动力的合力,为探究以气体轴承作为支承的电主轴系统的动态特性,以正弦波作为动态扰动加载形式,提出采用简谐激励法与双向流固耦合数值模拟相结合的方法对气体轴承-转子系统的简化模型进行动态特性研究;对动刚度和阻尼系数进行辨识,并通过模态分析获得转子不同稳态力下系统振型及固有频率变化规律。研究结果表明:随稳态力的增加,下径向轴承的K_(yy)增长速率大于K_(xx),而交叉刚度和交叉阻尼均几乎不变;下径向轴承的主刚度大于交叉刚度,主阻尼大于交叉阻尼;当稳态力为50~200 N时,转子下端y向偏移均随动态扰动力频率的增加呈现先增大后减小的趋势;系统的共振频率随稳态力的增大而增大。

冲击激励下轴线失准转子-磁轴承系统不对中定量研究

为研究和识别转子系统在轴承处发生的平行角度混合不对中,提出一种频谱辨识转子-磁轴承系统固有不对中量大小的方法.采用动量矩定理将圆盘不平衡力对转轴的影响等效到转子轴向力上,建立考虑轴向径向耦合效应的刚性双偏置圆盘转子-磁轴承系统的动力学模型;通过SIMULINK仿真得到系统时域下的位移和电流响应,分析不对中条件下转子系统动力学特性,并利用快速傅里叶变换将时域响应转换为频域响应,基于频域下最小二乘算法得到转子系统不对中量大小.结果表明:在冲击激励影响条件下,采用该方法计算的不对中量大小误差均在5.0%以内,当转子受到外界扰动力时,该算法能够准确定量识别转子的不对中量,可为不对中转子-磁轴承系统故障诊断及自修复提供理论参考.

分数阶转子-轴承耦合系统非线性动力学分析

为深入挖掘水轮发电机组转子-轴承系统的非线性耦合振动特性,将该系统的阻尼力从传统的固定整数阶扩展到灵活多变的分数阶范围。建立了含分数阶阻尼的转子与含分数阶的轴承在耦合作用下的动力学模型,分析了不同分数阶阶次对系统的影响,探讨了含分数阶阻尼转子与轴承的耦合模型在阶次对称系统和阶次非对称系统中的不同运动形态,给出了系统不同条件下的运动状态分布图,对比了碰摩故障在整数阶和分数阶条件下不同形态的动力特征,验证了所提出分数阶阻尼的优越性。结果表明,分数阶阻尼相比于整数阶阻尼具有非局部性、记忆性和适应非线性等新的动力学特征。

轴向槽气体润滑轴承-转子系统非线性行为

基于非线性理论,分析了气体动压轴承-转子非线性动力系统的不平衡响应。建立了与时间相关的非线性气体动压轴承的压力分布模型和气体动压轴承-刚性Jeffcott转子系统的动力学模型。运用微分变换法求解了动压气体润滑的Reynolds方程,得到了非线性气膜压力分布。运用分岔图、轨迹图、Poincaré映射图及频谱图研究了三轴向槽有限宽气体轴承支承的非线性转子系统的不平衡响应。数值结果表明,系统的非线性行为包括周期运动、周期二运动、周期四运动、周期八运动及混沌运动等。

气体稀薄效应对微机电系统(MEMS)气体轴承-转子系统不平衡响应的影响

为研究气体稀薄效应对微机电系统(MEMS)气体轴承-转子系统不平衡响应的影响,给出了MEMS气体轴承-转子系统运动方程和MEMS气体轴承的雷诺方程;利用双向隐式差分算法,给出了修正雷诺方程的详细数值求解过程;将转子运动方程与雷诺方程相结合,采用4阶龙格-库塔方法计算分析了气体稀薄效应对气体轴承-转子系统不平衡响应的影响。研究结果显示,考虑气体稀薄效应后,当质量偏心距较大时,MEMS气体轴承-转子系统的失稳轴颈转速较大,表明合适的偏心质量有助于改善系统的稳定性;在相同的质量偏心距下,考虑气体稀薄效应时气体轴承-转子系统在较低轴颈转速处出现峰值,表明此时不平衡偏心质量对气体轴承-转子系统运动的影响增大。

含双时滞轴向槽动压气体轴承–非线性转子系统的运动分析

针对高速气体轴承-转子系统在主动控制过程中无法避免的时滞现象,建立了含有双时滞控制的三轴向槽动压气体轴承-转子系统的动力学模型。运用微分变换法求解动压气体润滑的Reynolds方程,得到了非线性气膜压力分布。基于精细积分法,构造了时滞非线性轴承-转子系统动力响应的求解方法。针对含有双时滞控制的气体轴承-转子系统,运用轨迹图、时间历程图等研究了系统的非线性响应,分析了时滞量和反馈控制增益对系统响应的影响。数值结果表明,当选取的反馈控制增益与气体轴承-转子系统的时滞量相匹配时,时滞系统的振动幅值会变小,运动将更加稳定,达到了较好的控制效果。

流体动压滑动轴承-转子系统动力特性分析

研究了非线性径向轴承支承的转子系统的动力行为。引入变分约束原理修正了流体润滑的Reynolds方程的变分形式 ,在几乎不增加计算量的情况下 ,求解了具有Reynolds边界的流体润滑问题 ,使得非线性油膜力及其Jacobian矩阵同时计算完成并且具有协调一致的精度。运用Newton Raphson方法在求得转子平衡点的同时求得了轴承的动力学系数。将预估 校正机理和Newton Raphson方法相结合给出了流体动压滑动轴承 转子系统Hopf分岔点所对应线性失稳转速的计算方法。运用打靶法并结合Floquet理论计算分析了流体动压滑动轴承 转子系统的非线性不平衡周期响应及其稳定性。数值结果表明上述方法不但节约了计算量 ,而且具有很高的精度。

气体轴承-转子系统典型振动特性分析

给出了单跨、气体轴承支承的转子系统中出现的共振、气膜半速涡动(包含临界半速涡动)、双低频特性、气膜振荡、工频碰磨、低频碰磨等典型振动现象,采用轴心轨迹,分岔图,以及频谱图等振动测试分析方法,呈现了以上典型振动现象的动力学特征,为识别气体轴承中的典型振动现象提供试验数据支持;同时,针对以上典型振动特征,采用轴承-转子系统的载荷运动平衡方程,给出了定性的理论分析以及相应的控制方法,为气体轴承-转子系统的振动控制与稳定性研究提供可借鉴的数据和方法。

轴承不对中-碰摩耦合故障下双转子系统非线性振动特性分析

为揭示因轴承不对中导致的故障转子系统振动特性,基于坐标变换关系,推导了轴承不对中下转子偏转位移表达式。在此基础上,建立了综合考虑碰摩力、油膜力等外激励影响下双盘转子轴承不对中-碰摩耦合故障系统动力学模型,采用数值方法研究了转速及质量偏心对系统动态特性的影响。结果表明,轴承不对中故障会增加系统碰摩发生可能性、恶化轴系振动并加大系统非稳态运动范围。虽然不对中量的加入可在一定程度上延缓系统因参数变化引起的失稳运动,但据此产生的振幅增加与系统安全运行目标相悖,故应采取必要措施对轴承不对中故障加以控制。相关结论可为转子-轴承系统振动状态识别及稳定性分析提供有益借鉴。

固定瓦-可倾瓦微气体轴承-转子系统的非线性运动分析

针对固定瓦-可倾瓦微气体轴承,考虑气体稀薄效应,给出了具有Burgdorfer一阶滑移速度边界的Reynolds方程,运用微分变换法结合有限差分法求解方程,得到了各瓦块在单块瓦坐标系中的非线性气膜力,然后通过组装技术获得了固定瓦-可倾瓦微气体轴承的气膜力。针对固定瓦-可倾瓦微气体轴承支撑的刚性Jeffcott转子系统,运用转子中心轨迹图、Poincaré映射图和时间历程图分析了转子的不平衡响应,比较了努森数、转速等对转子系统非线性特性的影响。数值结果表明:稀薄效应对转子中心的运动轨迹有较大影响,转子系统的不平衡响应表现为周期一运动、周期三运动和周期四运动。

考虑瓦块磨损的可倾瓦径向轴承-转子系统动态特性研究

针对含有瓦块磨损故障的可倾瓦径向轴承-转子系统润滑和振动特性耦合建模问题,考虑了瓦块磨损、转子与瓦块平摆振动和轴承混合润滑的影响,提出了可倾瓦径向轴承-转子系统的混合润滑动力学模型,研究了不同磨损率下转子振动特性和轴承润滑性能的动态响应,探明了转子偏心量、转速和预载荷系数等参数与磨损率的耦合作用对轴承-转子系统动态特性的影响。结果表明:转子在磨损瓦块位置的振动位移和振动加速度随磨损率的增加而增大;与无磨损轴承相比,磨损轴承的转子加速度峰值频率会额外激起转频的偶次倍频;多瓦块磨损会导致转子振动响应和轴承油膜压力显著增大。该研究结果可为可倾瓦径向轴承-转子系统的状态监测及故障识别提供理论参考依据。

流体动压轴承-转子动力系统的分岔和混沌

运用非线性动力学现代理论对一流体动压轴承-柔性转子非线性动力系统进行研究。以转速作为系统控制参数,将预估-校正机制、Poincaré映射和Newton打靶法相结合形成一种周期解预测跟踪算法,运用该方法研究了系统的非线性不平衡周期响应及其分岔点;运用Floquet稳定性分岔理论研究了系统周期响应的稳定性和分岔形式;运用FFT、功率谱、Lyapunov指数谱分析了系统响应的瞬态混沌现象。数值结果展现了系统具有周期、拟周期、多解共存、跳跃、瞬态混沌等丰富复杂的非线性现象。

微涡轮发动机气体轴承-转子系统非线性动力学研究

气体润滑轴承是支承高功率密度微涡轮发动机超高速转子的最佳选择。超小宽径比及气膜间隙、超高转子转速及工作温度以及不可避免的硅微加工缺陷是微涡轮发动机气体轴承系统面临的特殊挑战,然而目前对上述因素如何影响微气体轴承的性能还缺乏系统的研究。本文综合考虑了稀薄气体效应、工作气体温度、黏性摩擦力以及硅微加工缺陷等影响因素,研究了微涡轮发动机气体轴承-转子系统的刚度及阻尼系数、涡动稳定界限以及非线性动力学行为。主要内容如下。

含外圈剥落和不对中的齿轮-转子-轴承系统振动分析

轴承套圈的不对中和剥落是影响齿轮-转子-轴承系统振动特性的典型误差和故障。为了研究外圈不对中和剥落对系统的耦合影响,有必要对含不对中和剥落的齿轮-转子-轴承系统振动特性进行分析。首先,考虑外圈不对中和剥落,计算了轴承的五自由度非线性恢复力。然后,基于轮齿承载接触分析(LTCA)方法,计算了啮合刚度并且建立了直齿轮副的动力学模型。在此基础上,基于切片法建立了花键的等效刚度模型。最后,通过将轴承的恢复力模型、直齿轮副的动力学模型和花键的等效刚度模型与转子系统的有限元模型耦合,建立了齿轮-转子-轴承系统的动力学模型。分析表明,只有剥落位于承载区时,才会对轴承接触力、接触角和系统振动特性产生影响。外圈的不对中导致轴承的承载区范围增大,并使得剥落对系统产生影响的概率增加。