主动电磁轴承失效后柔性转子坠落在备用轴承上的瞬态响应实验研究

测量了主动电磁轴承支承的柔性转子系统在主动电磁轴承失效后转子坠落在带有固定间隙滚动型备用轴承上的瞬态响应,分析了转子的工作转速、转子不平衡量以及备用轴承碰撞面上的润滑条件等对转子瞬态响应的影响。结果表明,大多数情况下在主动电磁轴承失效后转子系统出现了在间隙圆底部的摆动以及在整个间隙圆范围内的碰撞型回转运动。主动电磁轴承失效后转子系统瞬态响应的大小与转子在电磁轴承失效前的振动、转子的工作转速以及备用轴承碰撞面上的润滑条件等密切相关。通过适当改变备用轴承碰撞面上的润滑状态,可以有效地控制电磁轴承失效后转子系统瞬态响应的大小,降低电磁轴承失效后转子在整个间隙圆范围内的碰撞型回转运动以及全间隙圆范围内的摩擦型回转运动的可能性,从而减小碰撞对转子及其备用轴承的影响。     

一种用于电磁轴承特性可控的弹性备用轴承

 为了提高电磁轴承备用轴承的性能,基于动力特性可控的径向电涡流阻尼器、弹性支撑以及滚动型或衬套型备用轴承提出了一种动力特性可控的弹性备用轴承新结构。介绍了这种新型备用轴承的结构和工作原理,在不同的转速和转子不平衡量下测量了电磁轴承失效后转子坠落在新型弹性备用轴承上的瞬态响应,分析了新型备用轴承对转子坠落在备用轴承上的瞬态冲击响应的抑制作用。结果表明：这种新型弹性备用轴承不仅具有结构简单、无工作介质、动力特性易于进行控制等特点,而且还能够显著减小电磁轴承失效后转子坠落在备用轴承上的瞬态冲击响应,使转子的振动很快得以衰减,减小了转子对备用轴承的冲击作用,是一种具有良好发展和应用前景的主动电磁轴承备用轴承结构。     

内圈带缺陷中介轴承的动力学建模与振动响应分析

针对外圈支承于低压转子轴颈,内圈支承于高压转子轴颈支承形式的中介轴承,在考虑轴承径向间隙变化和滚动体通过内圈缺陷时接触变形量发生变化的基础上,建立了内圈含单一故障缺陷的中介轴承动力学模型。数值仿真研究了轴承振动响应的有量纲参数和无量纲参数随缺陷大小,内、外圈转速和径向外载荷变化的规律,得出了若干有益结论,为中介轴承故障诊断提供了有益参考。     

箔片摩擦效应对转子-箔片轴承系统动力学特性影响试验

为了研究波纹箔片和轴承壳之间的摩擦特性对转子-箔片轴承系统动力学特性的影响,设计了波箔型径向气体箔片轴承-转子试验台,通过在该试验台上对以两组不同轴承壳圆柱孔内表面粗糙度的箔片轴承支承的质量为0.458kg的转子进行转速为0~8000r/min的运行试验,对比分析了波纹箔片与轴承壳内壁之间的摩擦效应对系统转子动力学特性的影响.结果表明:直径为19.98mm的波箔型径向气体箔片轴承能够实现转子高速运行,在转子起飞后具有良好的运行稳定性,其轴承支承处的振动幅值一直维持在20μm附近,并且降低轴承壳内表面粗糙度(摩擦因数)能够让波纹箔片相对容易地在平箔片和轴承壳之间周向滑移,使其吸收并消除转子高频振动,提高转子系统运行稳定性.      

基于Newton-Raphson算法的径向轴承瞬态热流体动力润滑的研究

建立了径向轴承在载荷和速度突然变化时的三维数学模型，模型中考虑了轴瓦的热变形，在油膜和轴瓦交界面采用热流连续的理想边界条件，数值模拟轴承的瞬态温度场，并对轴承的瞬态性能进行分析。在每一瞬时，用Newton—Raphson算法同时求解Reynolds方程、膜厚方程和轴颈运动方程获得轴承油膜的压力分布和轴颈中心的运动速度，然后数值积分压力分布得到轴承的油膜力，差分运动速度得到轴颈中心位置和运动加速度。用一有效的有限差分法同时求解油膜和轴瓦的温度控制方程。最后将Reynolds方程和能量方程通过节点压力和温度相耦合获得轴承的瞬态三维温度场。结果表明本所介绍的方法收敛快，大大节约计算时间。     

油叶型轴承--不平衡转子系统的非线性动力学分析

基于变分法提出了一个求解雷诺边界条件下有限长轴承油膜力的快速算法,用此算法对一个三油叶不平衡轴承—转子系统的非线性动力学行为进行了一系列的分析。数值模拟的结果显示了转子由稳定的同步涡动分岔为半频油膜涡动继而变为油膜振荡的失稳过程,还分析了轴承形状、轴承间隙、转子的质量大小、质量偏心位置等参数对转子运动的影响,提出了如何通过调节这些参数来提高转子系统稳定性的方法。      

一种新型辅助轴承的设计与试验

主动电磁轴承(AMB)的最大劣势在于承受外部冲击载荷的能力弱,必要时需借助辅助轴承承担其部分或全部载荷.本文介绍了一种新型辅助轴承--零间隙辅助轴承(ZCAB)的设计原理和试验情况.试验结果表明,ZCAB可在短时间内将AMB失效后坠落的转子重新平稳返回其回转中心,使转子继续正常工作.     

航空发动机主轴承接触应力精确仿真计算方法

采用稳态热分析与动态接触力学分析相结合的方法以提高计算精度,考虑轴承摩擦生热及瞬态冲击效应的影响,得到经热应力修正的轴承应力分布及变化特征。研究表明:最大动态接触应力位于钢球表面,外圈滚道次之,内圈滚道最小;轴承接触应力具有明显动态冲击响应特性,分布及大小具有随机变化性;接触应力由主应力与剪切应力共同构成,随转速及轴向载荷增大而增大。      

机动飞行下机载磁悬浮转子振动响应

为了探究机动飞行对机载磁悬浮转子振动响应的影响,建立了飞机机动飞行下柔性转子的运动微分方程和磁悬浮轴承模型,使用基础运动的6个参数描述了飞机转弯和俯冲拉升2种机动飞行的完整过程,对1个磁悬浮轴承支承的单盘柔性转子进行了振动响应数值计算分析。仿真结果表明：采用比例-微分控制的磁悬浮轴承转子系统在飞机转弯和俯冲拉升时,转子进动中心会随着机动飞行过程发生偏移,转子振动增大,可能与磁悬浮轴承发生碰摩故障;采用比例-积分-微分控制时,磁悬浮轴承可以以增大控制电流为代价减小机动飞行对转子振动的影响。为了实现磁悬浮轴承在航空发动机等机载旋转机械上的应用,在磁悬浮转子系统设计时要充分考虑机动飞行对振动响应的影响。     

带柔性静子部件的轴承共腔涡轴发动机碰摩特征

为研究具有轴承共腔结构的涡轴发动机在发生转、静子碰摩时转子-机匣系统动力学特征及机匣振动响应特征,建立了简化的转子-机匣碰摩动力学模型,并通过Runge-Kutta法进行求解。仿真结果表明:当发生转、静子碰摩时,机匣响应频谱中出现转子高倍频及其组合频率成分,高倍频成分幅值随碰摩程度加重而增大。对该型发动机进行台架试车实验,验证了该模型和结论的有效性。并利用不具有该结构的某第二代涡轴发动机试车的碰摩数据,进一步验证了带柔性静子部件的轴承共腔发动机中双转子间存在运动耦合,为涡轴发动机振动监控与故障诊断提供一定的理论依据。      

Nonlinear Dynamics Behaviors of a Rotor Roller Bearing System with Radial Clearances and Waviness Considered

A rotor system supported by roller beatings displays very complicated nonlinear behaviors due to nonlinear Hertzian contact forces, radial clearances and bearing waviness. This paper presents nonlinear bearing forces of a roller bearing under four-dimensional loads and establishes 4-DOF dynamics equations of a rotor roller bearing system. The methods of Newmark-β and of Newton-Laphson are used to solve the nonlinear equations. The dynamics behaviors of a rigid rotor system are studied through the bifurcation, the Poincar è maps, the spectrum diagrams and the axis orbit of responses of the system. The results show that the system is liable to undergo instability caused by the quasi-periodic bifurcation, the periodic-doubling bifurcation and chaos routes as the rotational speed increases. Clearances, outer race waviness, inner race waviness, roller waviness, damping, radial forces and unbalanced forces-all these bring a significant influence to bear on the system stability. As the clearance increases, the dynamics behaviors become complicated with the number and the scale of instable regions becoming larger. The vibration frequencies induced by the roller bearing waviness and the orders of the waviness might cause severe vibrations. The system is able to eliminate non-periodic vibration by reasonable choice and optimization of the parameters.     

高速对称刚性转子碰摩运动的稳定性分析

分析了高速对称刚性转子圆柱形和圆锥形碰摩运动。当转子两端的轴承同时发生不良润滑,造成转子两端同时与轴承接触,产生圆柱形碰摩运动,给出了发生圆柱形碰摩运动时系统的稳定范围,讨论了摩擦系数、轴承径向间隙、碰摩发生时的初始角度与失稳涡动角速度的关系。当转子一端的轴承发生不良润滑,而另一端的轴承正常工作时发生圆锥形碰摩运动,分析发现其碰摩运动的稳定性取决于其系统本身物理参数,进行了分岔分析。      

径向间隙及加工工艺对气体箔片轴承性能的影响

为了分析轴承的加工工艺和径向间隙对轴承静态、动态性能的影响,设计搭建了静态、动态实验台,利用改变轴颈尺寸的方法研究不同径向间隙对气体箔片轴承(GFB)静态性能和动态性能的影响,还分别研究了不同波箔弹性结构、不同箔片材料和不同波箔热处理方式等因素对轴承性能的影响.结果表明:随着径向间隙减小,气体箔片轴承静刚度及其动态结构刚度增大,其等效黏性阻尼随着径向间隙的减小,出现先增大后减小的趋势.在工艺上箔片材料及波箔弹性结构对轴承性能的影响起重要作用.     

含滚动轴承的同向和反向旋转双转子系统动力学响应

以双转子航空发动机为研究对象,建立了航空发动机双转子-滚动轴承-机匣耦合动力学模型.模型中考虑了低压转子与高压转子的中介轴承耦合作用,滚动轴承模型中考虑了滚动轴承间隙、非线性赫兹接触力以及变柔性VC(varying compliance)振动等因素.利用仿真模型,进行了同向和反向旋转双转子系统的拍振响应分析,结果表明当高低压转子的转速差较小时,双转子系统的拍振响应明显.同时研究了同转和反转双转子系统轴心轨迹响应的差异,研究表明反向旋转双转子系统的轴心轨迹会形成“花瓣”状.最后,利用双转子试验器验证了仿真结果的正确性,进一步验证本文所建模型的正确性.      

航空发动机滚动轴承-双转子系统动态特性分析

在滚动轴承动力学和转子动力学分析基础上,建立了含滚动轴承动力学与转子动力学耦合以及高、低压转子间耦合的滚动轴承-双转子系统动力学方程,采用精细积分法和预估-校正Adams-Bashforth-Moulton多步法相结合的算法,对航空发动机滚动轴承-双转子系统非线性动力学方程进行求解,并对滚动轴承结构参数与转子动态特性的关系进行了理论分析.分析结果表明:①中介轴承径向游隙较小时转子系统振动量较小且转子运行较平稳,但中介轴承保持架打滑率会有所提高,应合理选取中介轴承的径向游隙值;中介轴承滚子数量对转子运转稳定性有较大影响,减小中介轴承滚子数量可降低保持架打滑率,但转子系统的振动量会增大;②支承轴承内、外沟曲率半径系数及径向游隙较小时转子系统的振动量较小,转子运转较稳定;支承轴承滚动体数量对转子运转稳定性有较大影响,滚动体数量增多有利于转子系统运行的平稳性.      

计及芯轴变形的轴连轴承载荷分布和刚度计算

因轴连轴承高承载能力和长寿命的性能指标要求,提出三列滚动体混合式结构,通过两端圆柱滚子线接触形式提高轴承整体承载能力。为考核新型轴连轴承承载性能,基于柔性梁理论引入芯轴挠曲变形的影响,采用滚动轴承设计方法,建立新型轴连轴承力学分析模型,在此基础上研究了外载大小、外载位置和游隙因素对轴承载荷分布和刚度的影响。载荷分析表明:径向载荷增加,芯轴在各滚动体列产生的附加力矩增加,各滚动列最大接触载荷增大;载荷作用距离减小,芯轴在各滚动体列产生的附加力矩减小,各滚动体列的承载载荷明显下降;滚子列径向游隙的增加,各滚动体列的最大接触载荷增大,承载区域减小,载荷分布均匀性下降。刚度分析表明随着径向载荷增大,各滚动体列主刚度明显上升,而载荷作用距离减小和滚子列径向游隙增加,会造成各滚动体列主刚度一定程度下降。      

三支承磁悬浮轴承转子系统性能的实验分析

在一般磁悬浮轴承转子系统的基础上增加辅助磁悬浮支承组件,构成磁轴承与辅助磁悬浮支承组合三点支承转子系统。通过试验模态分析和系统高速旋转实验研究了不同控制参数下,组合支承柔性转子系统的动态性能,并与二支承系统进行了比较。实验结果表明,辅助磁悬浮支承对系统性能有较大影响,提高了系统在各阶模态振动时的阻尼,使系统顺利越过二阶弯曲临界转速在16000rpm以上稳定运行。     

Nonlinear vibration response characteristics of a dual-rotor-bearing system with squeeze film damper

Rolling bearing and Squeeze Film Damper (SFD) are used in rotor support structures, and most researches on the nonlinear rotor-bearing system are focused on the simple rotor-bearing systems. This work emphasizes the comparative analysis of the influence of SFD on the nonlinear dynamic behavior of the dual-rotor system supported by rolling bearings. Firstly, a reduced dynamic model is established by combining the Finite Element (FE) method and the free-interface method of component mode synthesis. The proposed model is verified by comparing the natural characteristics obtained from an FE model with those from the experiment. Then, the steady-state vibration responses of the system with or without SFD are solved by the numerical integration method. The influences of the ball bearing clearance, unbalance, centralizing spring stiffness and oil film clearance of SFD on the nonlinear steady-state vibration responses of the dual-rotor system are analyzed. Results show that SFD can effectively suppress the amplitude jump of the dual rotor system sustaining two rotors unbalance excitations. As the ball bearing clearance or unbalance increases, the amplitude jump phenomenon becomes more obvious, the resonance hysteresis phenomenon strengthens or weakens, the resonant peaks shift to the left or the right, respectively. SFD with unreasonable parameters will aggravate the system vibration, the smaller the oil film clearance, the better the damping performance of the SFD, the larger the centralizing spring stiffness is, the larger resonance amplitudes are.