高速滚动轴承-转子系统非线性特性研究

滚动轴承是旋转机械设备中极其重要的基础件。高速运转情况下,滚动轴承-转子系统振动噪声问题突出的主要根源在于轴承支承力以及转子动不平衡力的强非线性特征。提出滚动轴承平均刚度和局部刚度的定义和计算方法,分析轴承的支承特性以及扰动特性。考虑轴承刚度的时变性和载荷非线性以及转子动态偏心位移导致的不平衡力激励,提出一种改进的轴承-转子系统一体化动力学模型。以两种不同类型的轴承为例,通过有限元/接触力学半解析法(finite element/contact mechanics mixed method,FE/CM)得到完整周期下滚动轴承三维载荷-位移分布曲线,分析轴承平均刚度与局部刚度的非线性特性,通过改进的轴承-转子动力学模型准确的获取滚动轴承动态支承力的载变与时变特征,观察到由于滚动轴承动态激励作用导致强非线性振动响应。

转轴-轮盘-裂纹叶片耦合系统的叶尖振动特性

航空发动机叶片在极端恶劣环境中工作,容易产生裂纹进而缩短叶片寿命,严重影响航空发动机的安全运行。以转轴-轮盘-裂纹叶片耦合系统为研究对象,采用有限元、假设模态混合的建模策略,利用有限元模拟转轴,基于Kirch⁃hoff板理论、Timoshenko梁理论模拟轮盘、旋转叶片,并根据时变的释放应变能确定呼吸裂纹导致的时变损失刚度,建立了相应的动力学模型;通过对比耦合系统的固有特性和振动响应验证了提出方法的正确性;剖析了重力载荷、转子不平衡力、气动载荷对叶尖振动特性的影响,并研究了不同无量纲裂纹深度和裂纹位置对叶尖振动特性的影响。研究结果表明:健康叶片中,重力载荷会导致叶片产生振动,转子不平衡力会导致叶片发生静变形;在旋转状态下,裂纹叶片导致叶尖弯曲位移产生偏移量;在气动载荷作用下,呼吸裂纹导致叶片发生非线性振动;常值分量与转频幅值比、常值分量与气动激励频率幅值比是评价呼吸裂纹的有效指标。本文的建模方法和分析结论可为航空发动机叶片裂纹故障诊断提供了一定的理论依据。