NONLINEAR DYNAMICS OF A CRACKED ROTOR IN A MANEUVERING AIRCRAFT

The nonlinear dynamics of a cracked rotor system in an aircraft maneuvering with constant velocity or acceleration was investigated. The influence of the aircraft climbing angle on the cracked rotor system response is of particular interest and the results show that the climbing angle can markedly affect the parameter range for bifurcation, for quasi-periodic response and for chaotic response as well as for system stability. Aircraft acceleration is also shown to significantly affect the nonlinear behavior of the cracked rotor system, illustrating the possibility for on-line rotor crack fault diagnosis.

周向槽宽度对涡轮增压器转子系统非线性动力学特性影响研究

浮环外表面周向槽宽度结构参数会影响外膜压力分布,进而对高速轻载涡轮增压器转子系统非线性振动特性产生显著影响。基于流体润滑机理和有限元理论,建立了包含轴系集总运动方程、浮环轴承瞬态温度模型、润滑油黏温方程以及轴承间隙热变形方程在内的涡轮增压器轴系热-流-固耦合的综合模型,并提出了一种有效的求解策略。通过与试验数据对比,验证了该综合模型的准确性和可靠性。以某柴油机用涡轮增压器转子系统为例,通过三维振动瀑布图研究不同周向槽宽度在低(50℃)、中(90℃)、高(130℃)3种入口油温下转子系统频域瞬态振动响应。结果表明:相对于全圆瓦浮环轴承支撑的转子系统,当周向槽宽度从2.4 mm增加至4.8 mm时,在不同入口油温下转子系统内膜涡动、振荡的转速区间逐渐缩小,振动幅值均大幅降低;但随着周向槽宽度和入口油温的增加,外膜承载力降低,转子系统呈现出刚性运动,即零频振动,并且零频振动幅值高于低频振动,成为主导频率。当周向槽宽度从2.4 mm增加至4.8 mm:入口油温为50℃时转子系统的最大无量纲振幅值降幅分别约为67%、75%和83%;入口油温增加至90℃时,转子系统的最大无量纲振幅值降幅分别约38%、75%和82%;入口油温增加至130℃时,最大无量纲振幅值降幅分别约为67%、75%和79%。因此,对于不同的入口油温,周向槽浮环轴承可使转子系统的振动幅值大幅降低,有利于提高转子系统的稳定性,结论可为周向槽浮环轴承的参数设计提供理论参考。

Jeffcott裂纹转子动力特性的研究

本文采用适当的裂纹开闭模型 ,导出了固定坐标系中裂纹轴的刚度矩阵 ,建立了水平Jeffcott裂纹转子的振动微分方程 ,并对其进行了仿真计算。数值仿真表明 :裂纹转子的响应中出现 2x、3x等倍频分量 ,并产生分数次共振现象。在超临界转速区 ,倍频分量很小 ,但在响应的相频特性图中 2x、3x处相位变化很大。参数 β和 e主要影响 1x谐波分量 ,对 2x、3x等倍频分量影响很小。由于裂纹的存在 ,转子轨迹的中心也发生偏移。在临界转速附近 ,转子运行过程中裂纹处于常开或常闭状态。一般情况 ,当转子的偏心 e小于 1时 ,裂纹在转子运行过程中总是时开时闭的。这些结论将有助于转子裂纹故障的监测和诊断。

高速滚动轴承-转子系统时变轴承刚度及振动响应分析

高速滚动轴承广泛应用于机床主轴、航空发动机等转子系统中。在复杂运行工况下,滚动轴承的刚度表现出强烈的时变特性和非线性特性,往往是系统非线性的主要根源。考虑离心力、陀螺力矩、轴承内圈离心膨胀和热变形等因素,建立高速滚动轴承力学模型,计算轴承的时变刚度。将滚动轴承非线性模型与转子有限元模型集成,建立滚动轴承-转子耦合系统动力学模型。以FAG角接触球轴承(HCB7012E)为例,分别计算静载荷作用下的内外圈轴向、径向相对位移,并与舍弗勒轴承分析软件BearinX?的计算结果进行比较,验证了模型对静态位移仿真的精度。在不同轴承预紧状态下,仿真滚动轴承-转子系统在不平衡激励下的振动响应,并与试验结果比较,验证了模型仿真系统动态响应的精度。利用一个背对背安装的角接触球轴承-转子系统,研究在静载荷、不平衡载荷激励作用下滚动轴承刚度的变化规律,并计算时变轴承刚度作用下转子的时域振动响应及频域特征,为高速滚动轴承-转子系统设计、动力学分析与故障诊断提供依据。

裂纹扩展对转子动特性的影响

基于转子安全运行要求 ,对裂纹扩展过程进行动力学仿真·用非线性开闭裂纹模型 ,研究裂纹扩展过程中挠性裂纹转子动特性及不平衡量e和裂纹角 β两参数在扩展中的影响·研究表明 ,系统响应具有多种非线性振动形式 ,有多种途径出入混沌状态·研究为在线监测。

基于有限元的呼吸裂纹转子动力学特性

采用有限单元法建立了含裂纹Jeffcott转子的有限元模型,利用应变能释放率方法得到了裂纹单元的刚度矩阵,采用应力强度因子为零法模拟了裂纹的呼吸效应。计算分析了在一个稳态旋转周期内裂纹开闭的规律,以及直斜裂纹转子振动响应的特点。计算结果表明,斜裂纹开始张开以及闭合的时间迟后于直裂纹,斜裂纹处于全闭与全开状态所经历的时间比直裂纹长。直斜裂纹转轴的1X和2X倍频响应随着裂纹深度的增加而增加,但3X倍频分量变化不大。

基于时频分析的裂纹转子碰摩故障特征研究

为研究转子系统耦合故障特性,采用有限元方法建立了含有横向裂纹、转静碰摩的非线性转子动力学模型。首先研究了不同转速下裂纹、碰摩单一故障下转子系统的振动响应,其次研究了两种故障耦合情况下系统的振动响应特征。采用波形图、FFT谱图、瞬时频率和Hilbert-Huang时频谱(HHS)相结合的方法对故障转子振动信号进行了分析。分析结果表明:运用多种时频分析相结合的方法可以较为全面地了解转子的故障特征,裂纹转子在1/5、1/3临界转速时会发生较为明显的5X、3X谐波,且裂纹的产生会导致响应幅值增大,从而引起更为严重的碰摩。

考虑非线性涡动时裂纹转子的分叉与混沌特性

分析了裂纹转子在非线性涡动影响下的动力学行为，特别是系统响应的分叉与混沌特性。通过大量数值计算表明：当刚度变化比ΔＫ较大时，系统在亚临界转速区的１２Ωｃ、２３Ωｃ附近具有丰富的非线性力学行为，有可能出现倍周期分叉、拟周期响应及混沌现象。随着ΔＫ的增大，在１２Ωｃ、２３Ωｃ附近周期解分别由低频进动分量分叉和谐波分量分叉两种不同的方式变到拟周期。随继续增大，首先在２３Ωｃ附近出现混沌，通向混沌的道路一方面是由拟周期进入，另一方面则与周期３解有关。当ΔＫ非常大时，在１２Ωｃ附近也由拟周期通向混沌。本文还发现许多周期３解随初值的改变而变为其它周期数解的情形。

裂纹转子的弯扭耦合振动特性分析

研究了裂纹转子的弯扭耦合振动特性，分析了扭转对弯曲振动的影响。数值分析结果表明，在某些情况下扭转振动的耦合使弯曲振动转子的裂纹特征消失，对转子小裂纹故障的早期预报与诊断不利，扭转振动的耦合不能改变裂纹转子的工频位置，但在某些情况下使转子轴心轨迹变得不稳定。

一类初弯曲转子的裂纹-碰摩故障响应分析

为了研究裂纹-碰摩耦合故障的一类初弯曲转子系统响应特性,在考虑转轴变形、非线性油膜力与碰摩力作用的基础上,结合由中性轴理论确定的裂纹开闭规律,建立该类故障转子的动力学方程,利用Poincaré截面和分岔图的变化分析初始弯曲程度与裂纹深度对系统振动响应特性的影响.结果表明:含初弯曲时系统振动响应在临界转速附近的混沌区域比无初弯曲时大,随着裂纹深度的增加,混沌区域逐渐缩小;初始弯曲的运动特性在浅裂纹情况下起主导作用,当裂纹深度较大时,系统振动响应随着初始弯曲程度的增大交替出现由周期演变为混沌状态的过程,混沌响应特性也可发生较大变化.

双盘裂纹转子的非线性动态响应与混沌

研究了含有居中盘和悬臂盘的转子轴上出现裂纹时盘的非线性动态响应。在推导出系统的动力学方程的基础上进行了数值求解。由结果可以看出 ,盘的摆振在无裂纹时一般为与转速相同的同频振动 ,一旦裂纹出现 ,摆振一般为转速的倍频运动。裂纹的深度、转子转速、外阻尼和转子不平衡量对盘的非线性响应有很大影响。增大阻尼和不平衡量会抑制混沌运动。系统运动进入混沌的道路主要有 3条 :拟周期进入混沌 ,拟周期经拟周期分叉进入混沌 ,阵发性进入混沌。

双跨转子-轴承系统裂纹-碰摩故障的非线性响应研究

分析了带有裂纹-碰摩故障的具有三轴承支承的双跨弹性转子系统的复杂非线性运动。在同时考虑轴承油膜力和碰摩发生时转静件间的相对速度对非线性摩擦力的影响基础上,构造了双跨裂纹-碰摩弹性转子-轴承系统动力学模型,并对系统裂纹、碰摩及其耦合故障对系统非线性动力学响应的影响进行了数值仿真研究。单一裂纹故障时系统响应在超临界转速区有短暂的混沌运动;单一碰摩故障时系统响应在亚临界转速区有拟周期运动出现;裂纹-碰摩耦合故障时在超临界转速区有较大范围的周期4运动区间,小裂纹对系统非线性特性的影响不明显。研究结果为转子-轴承系统故障诊断、动态设计和安全运行提供了一定的理论依据和参考。

裂纹转子弯扭耦合振动非线性特性分析

以非线性涡动影响下的水平Jeffcott裂纹转子为研究对象,分别建立了刚性支承的纯弯曲振动、弯扭耦合振动和轴承支承的弯扭耦合振动三种运动微分方程,针对三种模型,分析了裂纹转子系统响应的分叉与混沌特性。数值计算结果表明:Δkη较大时,三种模型下的弯振分叉图均呈现出复杂的非线性特性,尤其在2/3ωc附近,各种周期、拟周期和混沌响应交替出现,阵发性特点非常明显,系统由拟周期路径通向混沌。模型1、2的弯振分叉图特性基本相似,模型3则具有更为复杂的非线性特性。模型2、3的扭振分叉图与各自的弯振分叉图极为相似,且非线性特性也基本相同。分析结果有助于更充分了解裂纹转子的动力学特性。

基于NOFRF裂纹转子非线性频谱分析

建立了裂纹转子非线性逼近模型,论述了非线性输出频域响应函数(NOFRF)及其非线性频谱分析理论,基于该理论对裂纹转子系统的各阶NOFRF进行了仿真分析,该分析结果说明了裂纹转子系统新频域成份是如何产生的,对裂纹转子的超谐波成份和亚共振现象进行了解释,并进行了试验分析,结果表明了高阶NOFRF比一阶对转子裂纹深度更敏感,为裂纹转子的精确故障诊断提供了理论基础。

双裂纹转子振动特性的有限元和实验研究

转子裂纹是旋转机械常见故障,目前对转子复合裂纹的研究尚不够深入。本文运用有限元方法对具有两条横向裂纹的转子系统动力学特性进行仿真分析,研究了不同裂纹夹角的转子动力学行为,得到转动过程中两条裂纹开闭的关系。与实验结果对比,验证了模拟的有效性。

基于非线性输出频率响应函数的裂纹故障诊断方法研究

将非线性输出频率响应函数(nonlinear output frequency response function,NOFRF)引用到裂纹转子的故障诊断中,提出基于NOFRF的转子裂纹的故障诊断方法。该方法通过辨识不同位置、不同深度的裂纹转子的NOFRF值,对裂纹故障进行诊断,得到一些有价值的结论。实验结果表明,系统各阶NOFRF值对转子裂纹不同位置和深度的变化相当敏感,可有效辨识裂纹故障的严重程度。

高速柔性转子系统非线性振动响应特征分析

针对高速柔性转子多支点支承的结构特点及转子动力特性设计的需要,分析松动支承对转子动力特性的影响,仿真研究得到多支点支承高速柔性转子系统的非线性振动响应特征。研究结果表明:工作在多阶临界转速以上的转子系统,存在松动支承时,工作中的柔性转子可能存在周期、拟周期、混沌运动。进而研究了松动支承位置、不平衡量、松动间隙等参数对多支点支承柔性转子振动响应的影响,分析结果为多支点支承高速柔性转子系统的动力学设计提供了理论方法。

考虑摆振的裂纹转子运动及阵发性混沌

在考虑含裂纹转子盘的摆振运动的情况 ,建立了盘的运动方程并进行数值求解。在裂纹很小时 ,横向振动是与转速相同的同频振动 ,而盘的摆振包含多种倍频成分。当裂纹较大时 ,横向振动会出现阵发性混沌。当摆振的幅值随时间不断增大到一定极限时 ,横向振动的稳定的周期或拟周期运动被打破 ,出现阵发性混沌。同时还出现通过拟周期进入混沌的现象。当裂纹很深时 ,会出现多个新的共振区 ,在此区域振幅迅速发散。盘的偏心距U的增大 ,会抑制混沌 。

空间任意斜裂纹引起的转子刚度变化机理研究

转子在不同方向上刚度的变化特性及其交叉耦合是导致转子耦合振动的根本原因。基于材料力学和断裂力学理论,采用六自由度Timoshenko梁单元模型推导了空间任意斜裂纹的柔度参数和刚度矩阵,据此对比分析了含有横裂纹、横-斜裂纹以及空间任意斜裂纹转子因为旋转过程中的裂纹非线性呼吸(开/合)行为所导致的变刚度特性。与横裂纹与横-斜裂纹相比,空间任意斜裂纹的刚度矩阵具有更加广泛、更加明显的外加交叉耦合项。此外,针对空间任意斜裂纹情况,系统研究了裂纹方位角以及裂纹深度等参数对转子刚度特性的影响。所得的研究结果可以为进一步研究裂纹转子的耦合振动行为以及诊断应用奠定基础。

具有两条裂纹的转子系统的振动研究

转轴裂纹是旋转机械的常见故障。文中采用数值模拟的方法研究具有两条裂纹的转子系统的非线性耦合振动响应。裂纹对轴段刚度的影响采用断裂力学理论得到,裂纹的开闭状态由裂纹面的应力决定。研究表明,裂纹的存在引起系统横向、纵向、扭转振动相互耦合,两条裂纹之间的夹角对系统非线性耦合振动有明显的影响。