转子系统不平衡故障的再现方法浅析

针对转子系统不平衡特征再现设计问题,提出1种基于动力学相似关系的模型再现方法。根据转子系统的振动微分方程,通过积分模拟法和量纲分析法建立转子系统中转轴、转盘、弹性支承和不平衡量的相似关系。根据相似关系,设计了原型不平衡转子系统的动力学相似模型,利用有限元方法仿真验证了所得相似关系的正确性。试验采用最小二乘三点法识别原型与模型不平衡转子试验台的不平衡量,给出再现原型不平衡特征的过程,验证了不平衡特征再现设计方法的有效性。总结了基于动力学相似关系的转子系统不平衡特征再现设计方法。     

航空发动机高压转子试验模型的动力学相似设计

为了获得能够替代航空发动机转子原型进行动力学试验的模型，提出了发动机转子系统试验模型的动力学相似设计方法。采用相似理论推导了转子系统缩比模型的动力学相似准则，继而建立缩比模型与原型的动力学相似关系。通过动力学优化方法对转子缩比模型的动力学等效模型进行修正，目标函数由固有频率、临界转速和振型组成。以双转子发动机高压转子系统的动力学相似设计为例，通过有限元仿真对设计方法的有效性进行了验证。结果表明，在设计转速范围内，动力学相似模型与原型的前两阶临界转速相似误差分别为3.92%和0.86%，对应振型的相关性均大于0.98，且模型与原型的模态应变能分布基本一致。通过该方法获得的动力学相似模型能够较好地预测原型的动力学特性，并有效降低模型试验的成本和难度。     

转子支承不对中故障建模与机理分析

针对工程实际所出现的不对中现象,建立了一个转子支承不对中故障的通用模型。将任意形式的联轴器在径向刚度和角向刚度等效的前提下简化为1个等效模型,该模型与实际的总体径向刚度和角向刚度等效,依据实际联轴器刚度计算得到等效模型参数;根据等效联轴器模型推导出转子系统由于连接对角向位置的不均匀、连接刚度的差异性和非线性等不确定性因素所产生的不对中激励力,基于此建立含转子支承不对中故障的转子-支承耦合动力学模型。通过故障仿真分析得到转子支承不对中故障激励下的振动特征,通过数值仿真验证了平行不对中和角度不对中故障的2倍频和4倍频现象,以及由于角度不对中产生的1倍频轴向振动现象。利用含套齿联轴器的3支点转子故障模拟试验器进行了特征转速下多种不对中工况的振动响应试验,通过比较仿真结果的精度达到85%以上,表明所提出的转子支承不对中故障通用模型的正确有效性。     

航空发动机双转子系统不对中研究进展

转子不对中是旋转机械最常见的故障之一。不对中常引起整机振动加剧、轴承磨损、转静子碰摩等故障,严重时将造成灾难性事故。航空发动机转子系统由于结构复杂、工作温差大、多支点弹性支承,更容易造成滚动轴承支承不对中、联轴器不对中、动态不对中等不对中故障。虽然航空发动机不对中问题严重,但这方面的研究却相对缺乏。本文针对航空发动机转子系统的结构特点,首先论述了滚动轴承不对中、联轴器不对中、航空发动机转子不对中3种不对中故障的研究现状;其次,讨论了不对中转子系统非线性动力学特性及不对中故障定量分析方面的研究成果。最后,对航空发动机双转子系统不对中研究的发展趋势进行了展望。     

考虑陀螺效应的转子动力学相似准则

针对考虑陀螺力矩的转子系统缩尺相似模型与原型是否满足动力学相似的问题,采用量纲分析法推导了考虑陀螺力矩的转子-简单支撑系统相似准则,得到了模型与原型各物理量相似比.通过求解不同相似比下Jeffcott转子系统临界转速的解析解,和利用有限元软件ANSYS对某转子系统临界转速和振型相似性进行了数值模拟,验证了所推导的考虑陀螺力矩转子系统相似准则的正确性.研究表明:考虑陀螺力矩、简单支撑和Rayleigh比例阻尼的转子系统,在相似转速下缩尺模型与原型的固有频率具有相似性,并且临界转速相似.      

转子-滚动轴承系统不对中-碰摩耦合故障动力学分析

建立了转子-滚动轴承系统不对中-碰摩耦合故障动力学模型.在联轴器不对中力模型中,分析了不对中力产生的原因;在转子系统中,考虑了不对中、不平衡和转静碰摩耦合故障.运用数值积分方法获取了系统的非线性动力响应,对不对中力模型和滚动轴承模型进行了验证,分析了转子不对中和碰摩对系统响应的影响,并对提出的动力学模型进行了试验验证,二者符合较好.     

航空发动机低压转子系统的动力学相似设计方法

提出了航空发动机转子系统动力学相似设计方法,以便采用模型替代实际结构对其动力学特性进行研究。基于转子系统的动力学等效原则,通过动力学优化方法建立全尺寸原型的相似等效模型。综合采用方程分析和量纲分析推导转子系统的动力学相似准则,并根据转子设计参数的相似关系建立相似等效模型的缩比模型。基于模型修正方法对三维设计模型的相似误差进行修正,得到预测精度较高的动力学相似模型。以双转子发动机低压转子试验模型的动力学相似设计为例,通过有限元仿真对动力学相似设计方法的有效性进行了验证。结果表明:在设计转速范围内,通过该方法得到的动力学相似模型能够有效预测全尺寸原型的临界转速和不平衡响应,前三阶临界转速的相似误差分别为3.09%、1.75%和0.31%,对应振型的相关性均大于0.93。该方法具有较高的实用价值,可为发动机整机动力学相似设计提供参考。     

超高速转子系统动力学特性(II):碰摩转子

为排查超高速转子系统碰摩故障的原因,利用混沌、分岔理论,研究了碰摩转子动力学特性。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并数值求解,结合分岔图、轴心轨迹、相图、Poincare映射等手段,考察了碰摩转子的动力学行为及系统参数变化对其动力学特性的影响。研究结果表明:质量盘之间的动力耦合效应较弱,有利于系统稳定性;既定转子结构不致引起高速混沌状态进而导致碰摩。研究内容为探求故障原因提供了依据,所涉及的故障分析方法和过程可作为系列化微型涡喷发动机设计的参考。     

多故障转子-滚动轴承系统的动力学特性

为深入研究多故障转子-滚动轴承系统的机理,充分考虑了旋转部件的扭矩、剪切力、转动惯量及陀螺力矩等效应,采用Timoshenko梁单元和转盘单元建立了转子的有限元模型,集成了滚动轴承动力学模型,及不平衡、不对中、碰摩、裂纹及松动等故障模型,得到了多故障转子-滚动轴承系统的动力学方程。采用变步长龙格库塔法,获得了转子-滚动轴承系统的位移响应,研究了系统位移响应随转速变化的分岔图、庞加莱截面,以及故障特征处的时域波形图、轴心轨迹图、相平面图和频谱图,探究了多故障转子-滚动轴承系统的故障特征及其动力学特性和规律。仿真分析结果表明：多故障转子-滚动轴承系统在运行过程中存在周期运动,拟周期运动和复杂的类混沌运动等丰富的非线性行为,且在各非线性行为转速区间内,会呈现不平衡、不对中、碰摩、裂纹和松动等单一故障或耦合故障的特征和现象。     

轴承共腔结构涡轴发动机相似模型设计

为改善轴承共腔结构双转子系统动力学实验器建立过程中人为或非人为结构畸变导致的动力学相似性偏差问题,开展 了适用于轴承共腔结构的双转子系统动力学特性研究。通过有限元法建立了某轴承共腔结构双转子发动机的转子动力学模型及 其粗尺相似模型,在对该转子模型动力学特性分析的基础上与原型发动机转子的动力学特性进行对比,比较了双转子系统的动力 学相似性。通过遗传算法建立了针对双转子系统动力学特性的相似优化算法。针对该型轴承共腔结构涡轴发动机采用提出的优 化算法建立了双转子系统相似模型。通过有限元法对该相似模型进行动力学特性分析,对比了该相似模型和原型发动机转子之间的 临界转速和振型特征。结果表明：该相似模型与原型转子模型相比保持了良好的多阶临界转速比例关系,且具有较好振型相似性。