基于不平衡加速响应信息的柔性转子双面平衡

模态平衡法和影响系数法是转子平衡中最常用的两类方法,它们都以转子的稳态响应为基础,因此称之为\"稳态平衡方法\"。针对当前转子稳态平衡方法中存在的不足,提出了利用不平衡加速响应信息进行柔性转子平衡的新方法。为了描述模态不平衡相对键相槽的角位置,首次引入了模态不平衡方位角的概念,并通过转子的不平衡加速响应信息对其进行了识别;在此基础上,结合转子的模态知识,添加合理的平衡试重组,利用各阶模态试重大小与对应阶模态不平衡响应幅度增量的线性关系,识别出校正质量组的大小,通过双面加重的方法实现了转子前两阶模态的平衡。仿真和实验结果表明,该瞬态平衡方法在有效降低转子不平衡振动的同时,减少了平衡过程中的起车次数。     

GTF发动机高速柔性转子系统支点动载荷控制方法

针对齿轮驱动涡扇（geared turbofan,GTF）发动机高速柔性转子系统,建立力学模型与有限元模型,在分析支点动载荷组成与特征的基础上,提出临界转速支点动载荷控制方法与模态振型控制评估参数。通过控制临界转速模态振型中大质量惯性部件角向模态位移,降低转子对惯性主轴倾斜旋转惯性激励敏感度,以及控制弯曲振型节点位置靠近支点,实现高速柔性转子弯曲振型临界转速下支点动载荷控制。结果表明,通过在低压涡轮采用双支点布局,以及优化低压压气机轴颈刚度,可实现上述临界转速模态振型有效控制,转子弯曲振型临界转速下支点动载荷可降低约14%～65%,验证了本文方法有效性。     

航空发动机双转子模态动平衡方法研究

针对双转子系统低压激励和高压激励振动模态的正交性受转速比影响,提出了以定转速比转子模态替代实际工作转速线下的转子模态进行双转子系统N₁+N₂和N₁+N₂+4平面模态动平衡的方法。推导了N₁+N₂和N₁+N₂+4平面模态动平衡法的平衡条件,给出了模态不平衡质量和正交校正质量组的计算式,并以某型航空发动机双转子系统为例,给出了N₁+N₂模态动平衡方法平衡各阶模态的过程。最后在双转子实验系统上进行了动平衡验证实验,实验研究发现在定转速比的条件下动平衡的减振效果最大可达72.4%;当高、低压转子转速控制率为实际工作转速线时,在工作转速范围内,各阶临界转速处的振动幅值总量都降低到120 μm以下,满足设计要求。实验结果表明提出的双转子航空发动机模态动平衡方法是可行的。      

细长柔性转子高速动平衡方法

提出了一种通过平衡辅助工装——平衡卡箍来进行细长柔性转子高速动平衡的新工艺方法。按照设计准则设计加工了一组精密平衡卡箍并用有限元法进行了强度校核,卡箍的验证考核试验在两个模拟轴上完成,结果表明:卡箍的平衡性能良好,对模拟轴的临界转速和振动特性的影响甚微,在此基础上完成了装机动力涡轮转子的高速动平衡试验,效果良好。      

应用于小发柔性转子的高速动平衡技术

从某新型涡轴发动机动力涡轮转子的结构特点出发 ,简要说明了对该转子进行实际高速动平衡操作存在的困难及采取的对策。在试验过程中 ,创造性地应用影响系数法和自行设计加工的精密平衡卡箍 ,高质量地完成了细长柔性转子的高速动平衡试验。研究表明 :高速动平衡技术可大大减小细长柔性转子的动挠度和支承动反力 ,从而达到减小发动机振动的目的     

一种跨二阶柔性转子无试重模态平衡方法

为解决传统柔性转子动平衡方法需要添加试重、多次启动的问题,发展了一种基于无试重模态动平衡方法的柔性转子二阶动平衡方法。该方法得益于转子有限元建模技术的发展,通过Samcef Rotor获取转子平衡所需的各阶模态,结合测量所得参考点的振动信息,利用无试重模态动平衡方法计算得出平衡所需的配重大小和方位。运用该方法对试验转子分别进行了一阶和二阶平衡,每次平衡只需开车一次,平衡后一阶振幅下降59.44%,二阶振幅下降97.56%。试验结果表明:该方法可有效降低转子不平衡振动,减少平衡开车次数,大大提高了转子的平衡效率。     

基于模态失衡力等效法的柔性转子无试重平衡方法

针对柔性转子系统失衡振动难以准确辨识的难题,从理论上推导了模态失衡力等效原则,并通过实验验证了该原则的有效性。基于该原则提出了一种新的柔性转子无试重平衡方法,重构了动平衡方法中动力学反问题求解算法,应用模型仿真和实验验证了相关理论,为高速柔性转子的无试重动平衡提供了一种新的思路。     

碰摩约束下柔性转子模态特性及其计算方法

以航空发动机低压(LP)转子为代表的柔性转子,通常具有两端大质量、细长轴和长跨度支承的\"弱刚度\"结构力学特征,这使得碰摩产生的约束作用不可忽视,其将会导致柔性转子模态特性改变,进而造成临界转速等动力学目标偏于设计状态。本文以典型航空发动机低压柔性转子为对象,结合梁单元法提出了此类复杂转子在碰摩约束下的动力学建模方法;将谐波平衡思想与频域的自由度缩减技术结合,提出了相适用的非线性模态求解方法;在此之上基于ANSYS和MATLAB平台,建立了含碰摩约束的复杂转子非线性模态分析的一般流程。将方法应用到某型柔性转子系统,成功获得其模态特性,结果表明:碰摩约束使转子模态频率增加,且随转子振幅增加而增加,尤其是对风扇碰摩较为敏感的一阶弯曲模态,正/反进动模态频率变化率可达16%和29%,但模态频率的变化始终在特定区间内;碰摩对转子模态频率的影响程度与陀螺效应、转子振型及机匣刚度密切相关,但对摩擦系数不敏感。由于接触点处摩擦力做功影响,柔性转子各阶反进动模态阻尼在碰摩严重时小于0,反进动模态能发生失稳。     

应用小发柔性转子的高速动平衡技术

从某新型涡轴发动机动力涡轮转子的结构特点出发，简要说明了对该转子进行实际高速动平衡操作存在的困难及采取的对策。在试验过程中，创造性地应用影响系数法和自行设计加工的精密平衡卡箍，高质量地完成了细长柔性转子的高速动平衡试验。研究表明：高速动平衡技术可大大减小细长柔性转子的动挠度和支承动反力，从而达到减小发动机振动的目的。     

支承刚度非线性转子系统的不平衡响应

针对航空发动机中转子支承的刚度非线性问题,基于谐波平衡法,发展了一种适用于多自由度转子系统的不平衡响应计算方法.通过对带有非线性支承的双盘转子系统不平衡响应的数值模拟,获得了影响非线性转子系统不平衡响应的关键参数和重要规律.研究表明:转子不平衡响应的非线性特征与振型密切相关,转子的峰值频率和峰值振幅随支承刚度非线性的增强而升高,随不平衡的增大而增大,非线性支承会使响应中出现频率的3倍频和5倍频成分.     

突加不平衡激励下高速柔性转子系统振动特性试验

针对航空发动机高速柔性转子系统叶片丢失所造成的突加不平衡激励,基于结构/力学特征等效原则,建立高速柔性悬臂转子系统试验器,对突加不平衡及持续碰摩所产生的附加激励下转子系统振动响应进行试验测试,并对其时域/频域响应特征进行分析。结果表明:突加不平衡瞬时具有显著冲击效应,转子系统瞬态振动响应加剧,并激起转子横向模态振动;转静件之间的持续碰摩会产生约束作用使转子系统临界转速提高,呈现非线性振动,产生谐波振动频率成分。      

基于建模仿真分析的模拟转子平衡技术

为提高航空发动机转子平衡精度及单元体装配独立性,对模拟转子平衡技术内在机理及模拟转子设计方法进行研究。采用数值模拟分析方法,基于低速硬支撑转子平衡测量及误差转位补偿原理,建立转子平衡过程的完整数学模型,分析平衡误差组成项,提取影响模拟转子平衡精度的参数。利用蒙特卡罗仿真及单因素试验方法、设计仿真算法,对误差项中的各参数进行仿真计算,得到各参数对平衡测量结果的影响规律及误差容限。结果表明：模拟转子可以再现由转子加工误差引入的附加不平衡量,其中模拟转子配合面端跳、柱跳、跨距、质心轴向位置、转动惯量、质量等参数均会影响附加不平衡量测量精度。各参数设计精度与测量精度正相关,但对测量精度影响权重不同。当配合面跳动小于0.005 mm,其余各参数精度控制在特定范围内时,测量误差近似为0,即模拟转子测量结果准确有效。     

航空发动机转子不平衡敏感性试验

针对航空发动机在相同物理转速下出现的高振动幅值异常模式和低振动幅值正常模式的振动双稳态特征问题,开展了整机条件下核心机转子不平衡敏感性试验研究。通过局部小分解调整核心机转子不平衡状态,获得不同平衡状态下发动机轴承座振动响应;分析发动机整机振动对核心机转子不平衡的敏感性。结果表明：不同平衡状态下振动异常模式振动相位收敛于相同角度,引发振动异常模式的不平衡量出现在固定的角向区间;高转速振动异常模式下轴承座测点振动相位滞后角为120°～150°;在核心机引发振动异常模式的不平衡量角向位置对向添加配重可以有效消除振动异常模式,解决振动双稳态问题。在同型多台发动机上进行了验证,平衡准确率超过80%。     

A new vibration mechanism of balancing machine for satellite-borne spinning rotors

The centrifugal force and overturning moment generated by satellite-borne rotating payload have a significant impact on the stability of on-orbit satellite attitude, which must be controlled to the qualified range. For the satellite-borne rotors＇ low working revs and large centroidal deviation and height, and that the horizontal vibration produced by centrifugal force is not of the same magnitude as the torsional vibration by overturning moment, the balancing machine＇s measurement accuracy is low. Analysis shows that the mixture of horizontal vibration and torsional vibration of the vibrational mechanism contribute mainly to the machine＇s performance, as well as the instability of vibration center position. A vibrational mechanism was put forward, in which the horizontal and torsional vibration get separated effectively by way of fixing the vibration center. From experimental results, the separation between the weak centrifugal force signal and the strong moment signal was realized, errors caused by unstable vibration center are avoided, and the balancing machine based on this vibration structure is able to meet the requirements of dynamic balancing for the satellite＇s rotating payloads in terms of accuracy and stability.     

基于模型的转子系统不平衡量的估计

采用基于模型的方法对转子系统的不平衡量进行估计,首先记录初始状态下的振动信号,然后根据实时测得的不平衡响应信号,得出差值振动信号,联立转子系统的动力学方程,得出不平衡等效载荷,根据等效载荷,得出不平衡的位置、相位及大小.采用模态扩展技术实现由有限几个点的振动响应获取所需点上的响应.由于噪声的影响,提出了基于高斯小波的降噪方法.仿真与实验结果表明,这一方法能够比较准确地估计出转子系统的不平衡量.      

锥齿轮啮合作用对转子-机匣系统振动特性的影响

本以转子-机匣系统为对象,采用弯扭耦合传递矩阵法分析了锥齿轮啮合作用对不平衡响应及初始弯曲响应振动特性的影响。改进了三套纯弯曲和弯扭耦合临界转速及不平衡响应峰值转速计算方法及软件,提高了计算效率。采用此三对配套软件计算了两种支承方案的临界转速和峰值转速,在无阻尼条件下两完全一致。分析了质心按一阶振型分布和按空间分布时锥齿轮啮合作用对峰值转速及振动值的影响,得出了有工程参考价值的结论。提出了改善转子振动特性的方法。     

含浮环式挤压油膜阻尼器转子系统的突加不平衡响应分析

为了研究含浮环式挤压油膜阻尼器对转子系统突加不平衡响应的抑制作用,建立了浮环式挤压油膜阻尼器-转子系统的动力学模型,在模型中,充分考虑了转子与浮环式挤压油膜阻尼器的耦合作用.运用数值积分获取系统的动力学响应.研究表明,与传统挤压油膜阻尼器相比,浮环式挤压油膜阻尼器能更好地抑制转子系统的突加不平衡响应;在靠近临界转速时,浮环式挤压油膜阻尼器能抑制瞬态过程;较大的浮环质量和滑油黏度能更好地抑制转子系统突加不平衡响应.      

转子不平衡量对角接触球轴承-刚性转子系统动力学耦合特性的影响

建立了高速角接触球轴承-刚性转子系统完全动力学数值仿真模型。以某仪表轴承支承的转子系统为例,分析了转子不平衡量对转子振动响应、轴承内部载荷分布以及保持架质心运动轨迹、频域幅值变化及其磨损的影响。结果表明:无转子不平衡量时,转轴振动仅包含保持架频率,而转子不平衡时,转轴振动除保持架频率,还包含内圈频率及其倍频。随着转子不平衡量的增大,内圈频率对应的转轴振动幅值逐渐增大,而保持架频率对应的转轴振动幅值先减小后增大。球与内外圈接触载荷波动随着转子不平衡量的增大而增大,且载荷包含了保持架频率与内圈频率的多种耦合频率。转子不平衡量越大,保持架质心运动越不稳定,而保持架磨损率反而逐渐降低。保持架质心运动除保持架频率外,还包含保持架频率与内圈频率的耦合频率,说明保持架运动受转子振动的影响。      

双转子系统临界转速的有限元分析

利用有限元软件ANSYS建立简易双转子系统的有限元模型,分别用QR阻尼法和同步响应法计算该双转子系统的临界转速以及主振型。用该软件自带的参数化设计语言（APDL）编制该双转子系统临界转速和不平衡响应的计算程序,分别求出内转子和外转子为主激励的临界转速及主振型。对比结果发现采用QR阻尼法和同步响应法计算双转子系统前三阶临界转速的误差均在1％以内,结果吻合很好。用这2种方法计算双转子系统的临界转速都能得到满足工程精度要求的结果。