基于MATLAB的鱼雷推进轴系弯曲振动涡动频率计算

在鱼雷转子系统中,为避免系统发生共振,常需要计算其涡动频率。鉴于商业有限元分析软件的输入参数有限,且无法满足特殊情况下的计算需求,该文根据转子系统的运动微分方程及其求解过程,运用MATLAB软件编程来计算系统的涡动频率,然后与ANSYS软件计算结果进行对比。结果表明,所编写的MATLAB程序合理,可对鱼雷推进轴系进行计算,也可进行后续开发。

混合预紧下高速电主轴涡动频率的理论研究

为了有效预测并控制高速电主轴的支撑刚度和临界转速,建立了角接触球轴承在混合预紧机理下的数值计算模型,对主轴系统进行有限元建模,耦合轴承组模型与转轴模型构成转轴-轴承模型.通过对整体模型计算获得主轴系统的动态特性参数,将结果反代入整体模型,进而进行循环迭代,从而研究主轴涡动频率.制定转轴-轴承模型动力学计算流程,研究了电主轴在不同工况下轴承支撑刚度和涡动频率等动态特性.理论计算结果表明:与传统计算方法相比,所建模型计算电主轴在高速运转时的动态特性具有更高精度.采用合理的预紧方式和预紧力有利于提高主轴系统在高速运转时的临界频率.

基于MATLAB的转子涡动频率计算

对于转子系统,为了避免共振,常需要计算转子的涡动频率,首先推出了涡动方程,然后运用MATLAB软件计算出转子的涡动频率,并用GUI开发了图形用户界面,从而可以方便地计算转子的涡动频率。

转子/定子碰摩系统的非线性模态及其在干摩擦反向涡动响应预测中的应用

为了分析转子/定子碰摩系统中的非线性模态,确定交叉耦合效应对非线性模态的影响以及非线性模态在预测系统干摩擦反向涡动响应中的作用,针对一个考虑了定子运动学特性以及转子和定子间交叉耦合效应的四自由度转子/定子碰摩系统,用解析方法求解了其线性和非线性模态,分析了系统干摩擦反向涡动响应的涡动频率,确定了激发干摩擦反向涡动的临界速度与系统模态之间的关系。分析结果表明:系统存在2个负的线性模态频率;随着碰摩面摩擦系数的增大,其负的非线性模态频率由1个增加到3个;系统的2个负线性模态频率不但是相应非线性模态的边界,也是干摩擦反向涡动频率的上边界;非线性模态存在的最小摩擦系数就是发生干摩擦反向涡动失稳的最小摩擦系数。此项研究可为转子/定子碰摩系统的响应预测提供新的思路。

涡动下高速离心泵的内部流动特性研究

引起高速离心泵振动的原因很多,其中一种是由于流体作用力导致叶轮发生偏心转动,即"涡动"引起的高速离心泵的振动。为了探讨涡动情况下高速离心泵内部流场特性,以高速离心泵为研究对象,给定了三种流量、四种偏心距以及六种涡动频率比组成的不同方案,应用CFX软件对高速离心泵的内部流动进行定常数值模拟,研究了涡动频率比、偏心距对高速泵内部流动的影响。结果表明:在1.0Q_d设计工况点,偏心距越小,叶片进口低压区面积越小;在0.6Q_d小流量工况点,当涡动频率比小于0时,随着涡动频率比的减少,旋涡的个数逐渐增加,旋涡的面积增大;在1.7Q_d大流量工况点,当涡动频率比小于0时,随着偏心距的增大,旋涡的个数增加,旋涡区面积增大;在1.0Q_d设计工况点,切向力Ft受涡动频率比以及偏心距的影响很小,且随着流量的变化,它在x轴、y轴、z轴分力的方向均会发生变化。

某新型高速涡旋压缩机转子系统动力特性分析

作为第三代主流压缩机的涡旋压缩机,因其转子为偏心结构,在受到动涡旋盘偏心回转产生的巨大离心力作用下导致整机振动加剧,使其一般只能在低于7 000 RPM的转速下正常工作,极大制约了系统效率的提升。为此,对正在研发的最高工作转速为12 000 RPM的涡旋压缩机转子系统进行动力特性研究。基于等效力学模型及动平衡方程,确定平衡块的质量及位置,由坎贝尔图、各转速下涡动频率及振型云图得知,在0~12 000 RPM转速下,转子系统没有产生共振,且运行平稳。证明该系统的工作效率可通过提高转子转速的方法来实现,这也为偏心结构压缩机转子结构设计提供一理论参考。

旋转碳纤维复合材料轴转子动力学特性的有限元分析与试验研究

轻质、高速旋转复合材料传动轴是航空和汽车领域先进传动系统设计中的关键部件。文中基于锤击激振测试方法和ANSYS有限元软件,对旋转复合材料轴进行转子动力学系统试验测试和有限元建模与分析,研究旋转碳/树脂复合材料轴的转子动力学特性。结果表明:铺层方式对旋转复合材料轴的转子动力学特性有重要的影响,纤维铺设角越小,临界转速和涡动频率越高;随着纤维铺设角的增大,临界转速和涡动频率降低。有限元仿真结果与转子动力学试验结果较为吻合,理论模型基本可靠。

基于STM32F103的高速卷绕机横动导丝控制系统设计

为解决因横动导丝形变量过大而造成的高速卷绕机空转问题,实现对机械设备元件的有效控制,设计基于STM32F103的高速卷绕机横动导丝控制系统;在CPU主控电路体系中,设置STM32F103控制器元件,并以此为基础,控制锭轴夹头、机械卷绕头两类机械零部件,完成控制系统的主要应用模块设计;按照变卷装转化原则,判断设备元件之间的联接关系,再根据横动导丝同步涡动频率求解结果,推导弹性微分方程,实现对高速卷绕机的动力学建模处理;分别求解边界条件与有限元模态系数,实现对模态控制量的精准计算,结合相关应用部件结果,完成基于STM32F103的高速卷绕机横动导丝控制系统设计;实验结果表明,上述系统作用下,空卷状态下导丝形变量不超过0.77 mm、满卷状态下导丝形变量不超过8.35 mm,始终达不到10 mm的变形极值,可以解决高速卷绕机的空转问题,符合有效控制机械设备元件的实际应用需求。

给定转子动力学参数的离心泵内部流体力研究

通过数值模拟和试验,研究了涡动情况下偏心距和涡动频率比对离心泵内外特性的影响。在给定一系列转子动力学参数条件下,采用RNG k-ε湍流模型对包含前后泵腔在内的全流场进行数值模拟,分析了偏心距对离心泵外特性的影响和涡动频率比对离心泵内部流场的影响,研究了离心泵内部流体力的分布情况以及偏心距和涡动频率比对离心泵内部流体力的影响。研究结果表明:随着偏心距的增大,泵高效区范围变窄;流体力的法向分力Fn、切向分力Ft均与涡动频率比ω/Ω近似呈二次函数关系,这种二次函数关系与偏心距大小相关;叶轮受到的流体力主要来源于叶轮内部流体,且叶轮内部流体周向压力分布不均。对于离心泵来说,当ω/Ω>0时,叶轮内的旋涡较少,水力损失较小,对涡动效果有抑制作用;当ω/Ω<0时,叶轮内旋涡较多,水力损失较大,对涡动效果有促进作用。

透平机械动密封动力特性数值方法研究

密封动力特性系数是评价透平机械转子稳定性的重要参数。对现有密封动力特性数值方法进行了综述,为了比较分析不同的密封动力特性数值方法,分别建立了基于控制体方法的双控体求解模型和基于CFD方法的稳态旋转坐标系与瞬态转子平动、转子单/多频椭圆涡动求解模型,综合比较分析了控制体法、CFD稳态旋转坐标系法和CFD瞬态平动法、单/多频法之间的差异以及适用范围,研究了转子涡动频率对密封气流力和动力特性系数的影响。研究结果表明:控制体法求解速度较快,但求解精度较低,稳态旋转坐标系法只适用于转子做小轨迹同心涡动的求解模型,瞬态平动法求解速度较慢;瞬态单/多频法考虑了转子的涡动频率,更符合密封的实际工作情况;应用瞬态单/多频法得到的密封气流力变化频率与转子涡动频率相同,但气流力的相位滞后于转子涡动位移的相位;密封的直接刚度系数随着转子涡动频率的增加而增大,交叉刚度系数和阻尼系数的绝对值随着转子涡动频率的增加而减小。

弹性支撑旋转Timoshenko梁动力学特性

为研究弹性支撑旋转梁动力学特性随转速及弹性支撑参数变化规律,考虑剪切效应、转动惯量和陀螺效应,采用Hamilton原理推导旋转Timoshenko梁动力学方程,应用Chebyshev谱方法获得系统涡动频率与模态振型数值解。结果表明,在高速转动状态下陀螺效应、支撑结构刚度对Timoshenko梁动力学特性有显著影响;各阶固有频率随着转速增加而分成正向涡动频率与反向涡动频率,高阶频率变化幅度更大;涡动频率随支撑结构直线刚度增加而呈阶梯状变化,当直线刚度增加到一定值后系统涡动频率将保持稳定;随着支撑结构转动刚度增加,涡动频率出现一个最小值与最大值,前者低于自由边界条件下频率值,后者高于固定边界条件下频率值。相关结果可用于各类旋转梁机构的设计与优化。

转动惯量比对飞轮转子系统稳定性影响

飞轮转子系统的结构布局对其高速旋转的稳定性有至关重要影响,以600Wh飞轮储能转子系统作为研究对象,通过建模及理论分析得到了转动惯量比与旋转运动稳定性之间存在的关系,采用转子动力学专业分析软件SAMCEF Rotor分析了两种不同转动惯量比转子的涡动频率振型,临界转速等。有限元分析结果和理论建模分析结果互为验证,结果表明:当转动惯量比接近1时,对工作转速超过一阶临界转速的飞轮转子系统,转动惯量比小于1时稳定性较转动惯量比大于1时更有优势,研究结果对以后大容量飞轮储能转子系统结构设计有重要参考依据。

磁力轴承-转子-基础系统的耦合动力学分析

研究了基础运动对磁力轴承转子系统动力学特性的影响,结合转子运动方程和系统控制器的电学微分方程,分析了陀螺效应、传感器与磁轴承非共点安装对系统动力学性能的影响,建立了磁悬浮轴承-转子-基础系统的机电耦合动力学模型,应用所建模型对5自由度磁悬浮转子系统进行了动力学性能分析。结果表明,基础的支承刚度对转子的摆动频率及临界转速影响显著,该模型适用于5自由度磁悬浮轴承-转子-基础系统的动力学性能研究。

旋转Rayleigh梁动力学性能的研究

采用广义Hamilton原理推导了旋转Rayleigh梁在重力作用下的运动方程,研究了简支-简支边界条件下旋转Rayleigh梁的动态特性,指出并证明文献中所推导的运动方程缺失了一个由离心力引起的陀螺效应项.理论分析和数值模拟了激励频率、陀螺效应、转动惯量、长细比对涡动频率、临界速度和模态振型的影响.结果表明,正向涡动频率随着激励频率的增加先增加后减小,而反向涡动频率则随着激励频率的增加一直减小;旋转Rayleigh梁有着无限多阶正向和反向临界速度;正向涡动频率总是大于同阶的反向涡动频率.

主动磁悬浮电主轴系统建模与控制参数分析

为实现磁悬浮电主轴的稳定悬浮运行并满足加工精度要求,通过对某型号主动磁悬浮电主轴的结构和控制原理进行研究,在忽略主轴转子磁化和磁漏等非线性因素影响的前提条件下,通过对主轴转子在磁悬浮轴承中的受力分析,建立了磁悬浮轴承的电磁支承力与轴承气隙偏移量及控制电流的表达式,对基于不完全微分PID控制的磁悬浮电主轴系统的临界转速与磁悬浮轴承的电磁刚度进行了定量研究,得到不同PID控制参数下,磁悬浮轴承支承刚度随涡动频率的变化曲线及固有频率随PID控制参数的变化曲线图。研究结果为磁悬浮电主轴控制系统进一步设计使用和分析优化提供了依据。

考虑轴颈涡动的滑动轴承动力特性数值研究

基于非定常动网格技术建立了考虑轴颈涡动频率与涡动轨迹的滑动轴承动力特性求解模型。在验证求解模型准确性的基础上,研究了轴颈正弦直线涡动轨迹、圆涡动轨迹、椭圆涡动轨迹下,涡动频率和偏心率对滑动轴承动力特性的影响。研究结果表明:轴颈的周期性涡动导致轴承油膜最小间隙和油膜压力周期性变化,油膜最小间隙越小,油膜压力越大;随着轴颈正弦轨迹涡动,由此形成的油膜力也呈正弦规律变化,且变化频率与轴颈涡动频率相同,但油膜力的相位滞后于轴颈涡动位移的相位;轴颈涡动频率及涡动轨迹对滑动轴承动力特性影响较大,需要考虑轴颈涡动对滑动轴承动力特性的影响。随着偏心率的增加,动力特性系数绝对值均随之增大。

旋转悬臂Rayleigh轴的Galerkin近似解

主要研究旋转悬臂Rayleigh轴的涡动频率和临界转速。基于Rayleigh梁模型建立旋转悬臂Rayleigh轴的运动方程,通过Galerkin法将运动方程离散化,Galerkin过程分别选择不旋转Euler–Bernoulli轴的振型函数和旋转Rayleigh轴的振型函数为试探函数,对不同方法得到的数值结果进行收敛性验证和对比分析,并且将其与涡动频率和临界转速的经典解进行比较。结果表明,采用不旋转振型函数简单快捷,能够极大地方便计算过程,因此,将其用于近似求解旋转悬臂轴的动力学特性具有明显的优越性。

部分充液悬臂柔性转子系统不稳定特性的实验研究

从实验上详细地观察和研究了部分充液柔性转子系统不稳定产生的过程、失稳过程中转子系统的动力特性以及充液量对转子系统振动和稳定性的影响。结果表明部分充液转子系统的不稳定特性与转子系统中其它失稳因素引起的不稳定特性之间存在着明显的差异。部分充液转子系统失稳的门坎转速在充液转子的一阶临界转速之上 ,并且在空转子系统的一阶临界转速附近。转子在不稳定区内的涡动频率既不是一个固定的频率 ,也不是转子系统的某阶固有频率 ,转子的涡动频率随转速的增大而增大 。

基于三结点单元的主轴横向自振特性分析

为计算水轮发电机组轴系的横向自振特性,提出了一种三结点弹性轴段单元。将主轴系统离散为刚性圆盘和三结点弹性轴段单元,推导了刚性圆盘单元和弹性轴段单元的运动方程,得出了三结点弹性轴段单元的插值函数、移动惯性矩阵、转动惯性矩阵、回转矩阵和刚度矩阵。研制了基于Matlab的有限元计算程序,并用数值算例验证了程序的正确性。最后计算了某水轮发电机组主轴系统考虑陀螺效应时的涡动频率、临界转速和相应的振型。研究表明,三结点弹性轴段单元的计算结果比二结点单元更接近理论解。

大型汽轮机轴系安装计算分析

通过对大型汽轮机轴系的静、动特性实例计算,分析了轴系中各相关元件对机组振动性能的影响,提出了各元件的最佳设计型式和设计参数的量化概念,对大型机组轴系的优化设计、合理安装提供了理论依据,经过对多台机组现场运行情况实测与计算比较,证明了计算的可靠性.