转子—齿轮联轴器系统的弯扭耦合振动研究

根据内齿轮副的啮合条件和拉格朗日方程,在旋转坐标系中建立了转子-齿轮联轴器系统的弯扭耦合振动方程。对方程进行数值积分求解,结果表明,对于对中良好的轴系,弯扭耦合与弯扭解耦时其瞬态响应的低阶频率值非常接近;对于不对中轴系,弯扭耦合会产生偶数倍频的弯曲振动分量和奇数倍频的扭转振动分量。      

超高速转子系统动力学特性(I):无碰摩转子

为排查超高速转子系统碰摩故障原因,利用混沌、分岔理论,研究了无碰摩转子系统的动力学特性。以实际转子结构为对象:建立物理模型;由拉格朗日(Lagrange)法建立系统动力学方程;用四阶龙格库塔(Runge-Kutta)法数值求解方程;结合分岔图、轴心轨迹、相图、Poincare映射等手段,分析了无故障转子系统的动力学行为及系统参数变化对其动力特性的影响。结果表明:该转子系统动力学状态过渡过程不明显,在全转速域内,振动以高频低幅为主,高速时具有良好的动力稳定性;扭振特征不明显;质量盘之间的动力耦合效应较弱,有利于系统稳定性;对于单个质量盘,弯振和摆振具有同步性和耦合性,横向振动和扭振动力耦合效应较弱。研究结果说明,该转子结构在冷态条件下,不致在高速状态下引起混沌运动状态。     

航空发动机叶片-机匣碰摩故障的机匣振动加速度 特征分析及验证

为了提取叶片机匣碰摩状态下的机匣振动加速度特征,利用航空发动机转子系统模型的试验器,进行了转子叶片-机匣的单点碰摩和偏摩试验,通过频谱分析和倒频谱分析方法,分析了机匣振动加速度信号的碰摩特征,结果表明:机匣振动加速度具有明显的周期冲击特征,其冲击频率为旋转频率与叶片数的积,在频谱上出现了该冲击频率及其倍频,冲击的大小受旋转频率调制,在频率上表现出冲击频率及其倍频两侧出现了以旋转频率为间隔的边频带族。从倒频谱图中可以明显看出转频及其倍频的倒频率成分,并用实际航空发动机试车数据验证了分析结果。     

碰摩引起的双转子系统弯扭耦合振动数值仿真

针对共腔结构的航空发动机双转子系统单点碰摩和局部碰摩引起的弯扭耦合振动问题,建立了含碰摩力、不平衡力、转 速控制力矩的弯扭耦合动力学模型。采用4阶龙格-库塔法进行数值仿真分析,结合时域图、频域图、轴心轨迹图分析了转盘偏心 距、碰摩刚度等参数变化以及碰摩类型、转速控制时延等对双转子系统弯扭耦合振动特性的影响。结果表明：偏心距和碰摩刚度 的增大,会加剧碰摩,其特征频率的最大幅值分别增大了0.1×10-4 m和4×10-4 m左右;局部碰摩的振动响应要比单点碰摩的更加剧 烈,其特征频率的幅值更大,特征频率的成分也更复杂;转速控制时延会使系统振动不稳定,且延迟时间越长,系统振动越不稳定。 在航空发动机设计时应当充分考虑转速控制时延的影响。     

高低压转子弹性支承振动应力信号的LMD切片谱分析与时频分布

针对传统的频谱分析方法不能很好地辨识航空发动机转子振动特征频率的问题,采用局部均值分解（Local Mean Decompo? sition, LMD）,结合切片谱的频谱分析方法,对航空发动机转子振动信号进行自适应模态分解与峰值频率辨识;对转子振动信号进行时 频分析,得到其时频分布。将该方法应用于某航空发动机高、低压转子的弹性支承振动应力信号分析中。结果表明：相比于发动机振 动正常状态,在发动机振动异常状态下,高、低压转子弹性支承振动应力信号的LMD切片谱中除了存在高、低压转子的基频和倍频成 分,还存在高、低压转子间的调制频率,且在异常状态下F分量的时变特征更加明显。采用LMD切片谱分析方法获取了发动机振动正 常状态和异常状态下的振动频谱特征和时频分布,可为航空发动机转子振动特征提取与状态判别提供参考。     

转子-电磁轴承系统动静件碰摩动力特性研究

对转子—磁轴承系统动静件间发生碰摩时的非线性动力学行为进行了研究,在考虑质量偏心的情况下建立了系统的数学模型,求解了系统的周期解,并结合分岔图、庞加莱映射和频谱分析研究了系统的动态特性,研究表明系统发生碰摩后,随着转速及偏心率的增加,转子运动中具有连续的周期分岔现象,并走向失稳,其频谱图中组合频率在奇数倍频附近发生了从右到左的频移现象。这些研究结果可用于控制碰摩后电磁轴承的稳定性,避免大事故的发生。其振动频率特征可判别磁轴承系统是否发生了碰摩故障。      

齿轮-转子-滚动轴承传动系统的弯扭耦合振动

考虑齿轮啮合及扭转作用,建立齿轮-转子-滚动轴承传动系统的弯扭耦合非线性动力学模型.考虑输入/输出端、齿轮轴的弯曲/扭转振动等问题,推导了不平衡齿轮-转子-滚动轴承弯扭耦合的动力学微分方程.在考虑齿轮偏心和滚动轴承非线性接触特性的情况下,分析了转速、偏心量以及轴承游隙等参数对系统振动响应的影响规律.研究发现:由于弯扭耦合的作用,在主动轴中有着非常明显的从动轴转频成分.而在扭转振动中则各轴转频和啮合频率表现得更为清晰;滚动轴承有其自身的谐振频率,在系统设计阶段需要注意避开滚动轴承的变刚度频率对系统的影响;随着齿轮偏心量的变化对系统的时域和频域响应也有着很大的影响.另外,轴承游隙对系统的振动响应也有着较大影响,应选择合适的轴承游隙,以减小系统各处的振动幅值.     

机动飞行条件下双转子系统动力学建模与响应分析

考虑航空发动机双转子中介轴承的耦合作用及陀螺力矩的影响,利用Lagrange方程建立了机动飞行条件下双转子-滚动轴承支承耦合系统动力学模型，对耦合双转子系统的动力学特性进行了理论与实验研究.结果表明:随着内外转子转速比增大，高压转子振动幅值减小，分岔点处转速增大，最大增幅近67.49%.机动飞行使转子的振动响应幅值增大，出现较多分频.在跃升和横滚飞行姿态下，高压转子响应主要表现为:随着跃升速度增加，高压转子振动幅值明显增加，最大增幅近409.24%，分岔点对应的速度增大；在横滚速度增大时，转子振动特性主要表现为从复杂的运动形态变换到单周期运动形态,转子的振动幅值明显增加.利用基础运动双转子模型实验台对跃升和横滚两种飞行姿态下耦合双转子系统的部分动力学特性进行了实验研究,实验结果与数值模拟结果有较好的一致性，证明了计算结果的正确性.      

双转子系统轴承座松动的动力学模型及故障特性

针对双转子系统轴承座松动故障,基于实验台双转子结构,考虑松动轴承座的3自由度平面刚体运动,引入碰撞恢复系数,建立双转子系统轴承座松动的动力学模型.基于Timoshenko梁单元,利用有限元和刚体运动学方法,采用Newmark-β算法进行数值仿真,对轴承座松动故障时内、外转子运动的动力学特性进行了研究.同时,进行了两种不同转速组合下双转子系统的松动实验,结果基本相同.将仿真结果与实验结果对比分析,结果表明:轴承座松动故障时,松动转子振动位移波形有“削波”现象,内、外转子振动位移频谱不但含有两转子基频的差频与和频,还包含支承松动转子的2倍频,3倍频等分量;低频段谱线较多,含有分频成分等;转子位移频谱中还含有较少的组合频率成分等.轴承座单侧松动时,松动转子的轴心轨迹呈拉伸的类椭圆状.     

新型叶片-机匣碰摩模型及其验证

针对航空发动机叶片-机匣碰摩故障,提出了一种新型叶片-机匣碰摩模型,该模型在传统弹性碰摩模型的基础上,考虑了叶片数和转静间隙变化对碰摩力的影响,能够模拟机匣单点、多点、局部及全周,转子的单点、多点、局部和全周的碰摩规律.将所提出的碰摩模型运用于转子-支承-机匣耦合动力学模型中,利用数值积分获取碰摩故障下的机匣加速度响应规律.利用带机匣的航空发动机转子实验器,进行了叶片-机匣的机匣单点-转子全周的碰摩实验,发现了机匣振动加速度信号的碰摩特征具有明显的周期冲击特征,其冲击频率为叶片通过机匣的频率,在数值上等于旋转频率与叶片数的乘积,在频谱高频段出现了叶片通过频率及其倍频,冲击的大小受旋转频率调制,倒频谱具有旋转频率及其倍频的倒频率成分,仿真和实验取得了很好的一致性,验证了所提出的叶片-机匣碰摩新模型的正确有效性.最后,在此基础上,仿真计算了多种碰摩模式下的机匣振动特征和规律.      

脉冲爆震载荷作用下转子系统动力学特性

针对脉冲爆震涡轮发动机(PDTE)气动载荷具有周期性、非定常的特点,应用有限元法建立了PDTE转子系统动力学特性计算模型。在验证计算模型准确性的基础上,研究了周期性、非定常轴向力和扭矩对转子系统动力学特性的影响。研究结果表明:与传统燃气涡轮发动机相比,PDTE转子系统同时存在弯曲振动、轴向振动和扭转振动。脉冲爆震燃烧室的气动载荷会改变转子系统的弯曲刚度,但对气动载荷合理设计后,其对弯曲振动的影响较小。周期性、非定常轴向力引起转子系统轴向振动,且轴向振动特性主要受零频和1阶轴向共振频率处响应的影响。PDTE工作时滚珠轴承的轴向支反力会不断变向,在设计滚珠轴承时应予以考虑。周期性、非定常扭矩引起转子系统扭转振动,1阶扭转共振频率分量在扭转振动响应中占优。      

双盘转子碰摩的弯曲和扭转振动实验研究

设计了 1个新型多自由度的双盘转子动静件碰摩实验器。应用该实验装置 ,重点研究了转子动、静碰摩后的转子弯曲和扭转振动。实验结果表明 ,转静件碰摩主要激起系统扭转自然频率振动 ;同时 ,弯曲振动复杂。不同情况下的转静件碰摩 ,转子具有不同的弯曲和扭转振动响应。根据转子扭转振动的变化可诊断转静件碰摩故障 ,与理论研究的结果相吻合     

控制系统延迟对轴扭振的影响

控制系统中的轴扭振会引起系统控制量的振荡,加大机械传动装置磨损,甚至会导致传动轴断裂。在工业应用中,多采用陷波滤波器抑制轴扭振,而陷波频率的选取通常未考虑控制系统延迟因素。基于电机角速度增量、轴转矩增量和电机电磁转矩增量的相位图,分析了控制系统延迟对轴扭振频率的影响。仿真结果对分析结论给予了验证。     

钛合金宽弦风扇叶片的振动特性

通过模态仿真和模态试验技术分别对某型号TC4钛合金宽弦风扇叶片的振动特性进行研究。采用ANSYS-APDL软件对风扇叶片模型进行模态仿真分析。根据风扇叶片的坎贝尔图以及不同模态的振型分布,识别风扇叶片的弯扭振型。风扇叶片不同转速不同模态下的转速裕度和频率裕度分析显示:第1阶弯曲模态在红线转速下的转速裕度和频率裕度超过20%,表明风扇叶片满足共振裕度要求。在三轴向振动台上利用扫描式激光测振仪,采用敲击法和随机带宽激励的方法测量叶片的响应,分析了风扇叶片不同模态的冲击响应特性和多轴响应特性,发现风扇叶片在周向和轴向激励下的响应以低阶弯曲模态为主,而在径向激励下的响应以扭转和复合模态为主,不同激励位置不同模态的响应特性与风扇叶片的振型息息相关。      

变频运行风机扭矩脉动抑制研究

针对某台轴流式引风机变频改造后频繁发生轴系故障的现象,采用无线应变电测技术测试了轴系扭应力脉动特性。试验发现,风机变频运行在一定转速以上时,传动轴扭应力脉动幅度突增,并一直维持在高位。在运行过程中扭应力脉动频率被锁定,不随转速变化,该现象和扭转共振不同。分析表明,变频器电机传动轴叶轮组成的机电耦联系统出现了扭振失稳。提出将轴系上的膜片联轴器改为高弹橡胶联轴器,通过增加系统阻尼的方法抑制扭振失稳。改造前后的试验结果对比表明,高弹联轴器可以有效地抑制轴系扭振失稳。     

Acceleration sensors based modal identification and active vibration control of flexible smart cantilever plate

Some flexible appendages of spacecrafts, such as solar panels, are cantilever plate structures. Thus, vibration problem is unavoidable when there is slewing maneuver or external disturbance excitation. Vibration of such cantilever plate structures includes coupled bending and torsional motion. Furthermore, the low amplitude vibration near the equilibrium point is very difficult to be quickly suppressed due to nonlinear factors of the hardware in the system, which is harmful to stability and attitude control accuracy. To solve these problems, acceleration sensor-based modal identification and active vibration control methods are presented for the first two bending and the first two torsional modes vibration of the cantilever plate. Optimal placements of three acceleration sensors and PZT patches actuators are performed to decouple the bending and torsional vibration of such cantilever plate for sensing and actuating, and identifications are achieved by experiments. A nonlinear control method is presented to suppress both high and low amplitude vibrations of flexible smart cantilever plate significantly. Experimental comparison researches are conducted by using acceleration proportional feedback and the presented nonlinear control algorithms. The experimental results demonstrate that the presented acceleration sensor-based methods can suppress the vibration of cantilever plate effectively.     

碰摩转子的弯曲和扭转振动分析

建立了一个新型多自由度的转子动静碰摩模型。应用该模型 ,重点研究了动、静碰摩引起的转子弯曲和扭转非线性耦合振动。大量的数值计算表明 ,不同碰摩情况下转子具有不同的弯曲和扭转振动响应。转静碰摩激起转子扭转自振频率振动。提出了从转子扭转振动的变化来诊断转静碰摩故障的方法 ,并探讨了此方法的可行性和有效性。     

转子扭转振动测量的新方法

创立了一种测量转子扭转振动的新方法。该方法通过设计专门测扭装置直接提取和分析由转子扭振转化的动应变信号从而获知转子扭振特征,并利用电阻应变计的空间对称结构,实现了信号的加强、补偿以及多通道冗余功能。实测结果表明,该方法具有准确性好、灵敏度高、安装简易、操作方便的特点,是一种具有广泛发展前景的转子扭振测量新技术。     

基于接触有限元的齿轮副扭转共振分析

以典型斜齿轮副为对象，基于接触有限元法，先模拟其准静态啮合过程并求解啮合刚度，并与国家标准偏差值进行了对比，证明了分析方法的正确性.再模拟其动态啮合过程，通过对啮合力响应进行频谱分析识别出扭转振动的固有频率，并与绘制频响曲线的识别结果一致.在此基础上，数值模拟了该齿轮副扭转共振的发生、发展和稳定过程，定量分析了共振状态下的典型动力学参数响应.结果表明:脱离啮合现象的发生使齿轮副的啮合冲击更为显著，共振状态下的最大应力值相比啮合频率为3000Hz时增大了20%.      

直升机扭振固有频率测量试验方法

直升机扭振与FADEC控制的耦合具有强大的破坏作用,在FADEC中必须采取有效措施防止这种共振,有必要通过试验的方法测量扭振的固有频率。独创性地设计了用于直升机扭振固有频率测量的新方案:采用颤振扫频技术,直接对FADEC系统动力涡轮转速给定值进行激励,通过闭环系统对发动机动力涡轮转速进行扫频激励的方法,获取了直升机扭振系统不同工作模态下的扭振频率点。试验结果表明:该新方法能够在直升机平台准确地获取扭振固有频率。