齿轮耦合复杂转子系统弯扭耦合振动分析的轴单元法

针对存在非平行轴的多分支齿轮耦合复杂转子系统,基于子结构分析理论,将系统中的每一根轴视为单元,将齿轮啮合力视为单元的激振力,在局部坐标系中采用集总质量法建立该单元的振动方程;在系统总体坐标系中,将各单元的振动方程联立,形成齿轮耦合复杂转子系统弯扭耦合振动方程,通过数值求解,获得系统固有频率和动态响应。采用所提出的轴单元法,对某航空发动机启动系统进行了模态和强迫振动特性分析。      

碰摩双转子系统弯扭耦合振动分析与实验

针对航空发动机双转子系统,利用拉格朗日方程建立了含碰摩力的弯扭耦合动力学方程,采用龙格-库塔法进行数值计算,结合瀑布图、频谱图、分岔图、庞加莱截面图、幅频曲线分析了弯曲振动和扭转振动的频谱特征和分岔特性;利用增量式编码器对转子实验台进行了扭转振动测量,验证了数值计算得到的频率特征。研究结果表明:弯扭振动具有相似的特征频率,包括倍频、分数倍频、工作频率与倍频/分数倍频的组合频率,但扭转振动的特征频率更加明显;两者还具有相似的分岔过程和相同的分岔点,在每个分岔点处都存在幅值跳跃现象。      

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.     

转子轴系耦合振动模型一般性解析式推导与分析

基于转子受到的线性和非线性作用机理,引入线性尺度因子、非线性尺度因子和耦合强度比作为特征参量,分别构建了阻尼力和刚度力的一般表达式,进而推导出转子轴系一般形式的线性与非线性耦合的振动模型.基于仅考虑质量不平衡激励的单圆盘转子轴系,应用多尺度法求解出该方程的稳态解及瞬态解.通过对解析解的分析,揭示了线性与非线性耦合作用及响应的振动机理.通过数值计算分析了瞬态时间尺度因子对响应的影响,瞬态时间尺度因子越大,瞬态解衰减越快,越接近于稳态解.对稳态解短时傅里叶变换的幅频特性进行分析,可发现1倍频出现了非线性特征,3倍频存在双峰特征,进一步阐述了非线性尺度因子对转子轴系耦合振动的影响.      

齿轮剥落故障信号的LMD包络谱分析

齿轮剥落故障是常见的齿轮故障形式。为了对齿轮剥落故障特征进行分析,提出了一种利用局部均值分解(LMD)结合包络谱分析的频谱分析方法。为了进行对比,使用该方法分别对正常齿轮和剥落故障齿轮的振动信号进行了分析。分析结果表明,正常齿轮振动信号各乘积函数(PF)分量的幅值谱和包络谱主要包含齿轮的啮合频率及其倍频、大齿轮转频及其倍频成分。剥落故障齿轮振动信号各PF分量的幅值谱和包络谱除了包含上述正常齿轮振动信号的特征谱线外,还包含大齿轮转频的倍频对齿轮啮合频率及倍频的调制频率成分。     

压电网络对叶盘结构气动阻尼的影响

首先通过引入气动影响系数,建立了振动相关气动力与系统振动位移成比例的线性模型。基于此导出了叶盘结构气弹耦合的线性振动方程。接着在叶盘结构中引入压电网络,建立了流 机 电耦合动力学方程;并采用集总参数等效模型研究了压电网络对叶盘结构气动阻尼的影响,对流 机 电耦合系统的特征值问题进行求解,获得了可作为系统气弹稳定性判据的模态气动阻尼比。研究表明,压电网络可以有效改善叶盘结构主要振动形式——节径型振动的气弹稳定性;通过对压电网络中电学参数进行优化设计,可以在较宽范围内提高叶盘结构的颤振边界;压电网络对弯曲振动模态气动阻尼的改善效果优于弯扭耦合振动模态。      

滑动轴承-转子系统的稳定性研究

根据滑动轴承流固耦合运动的载荷平衡方程,阐明了轴承油膜与转子相互耦合作用的失稳机理,结合轴系涡动耦合频率激振与非线性耦合振动频率之间的耦合特性,提出了一项轴系耦合调频的新技术.通过对轴承油膜涡动、谐振等自激耦合振动现象的实验研究,给出了轴系非线性动力学行为的典型特征与稳定性判别的准则,同时也为实现轴系非线性振动的有效控制提供了相应理论及试验的依据.      

复合材料翼盒弯扭耦合效应的研究

通过对翼盒弯扭耦合本构方程的研究,介绍了弯扭耦合系数的概念及数学表达式,分析了复合材料铺层的偏转角和铺向角对弯扭耦合效应的影响,并可以得到出现最大弯扭耦合效应时铺层结构的偏转角和铺向角.应用ANSYS软件对复合材料翼盒结构进行有限元的数值仿真.结果表明,得到的偏转角和铺向角的理论解与数值解具有良好的一致性.     

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。     

轴系非线性振动解析模型研究

针对高速柔性轴系振动中线性与非线性的耦合作用,定义了非线性尺度因子ε,构建了轴系振动耦合作用模型.该模型拓展了经典线性模型的研究思路,重点探讨轴系的非线性响应.应用多尺度法推导了转子非线性振动的通频解析解的Fourier级数形式,同时给出了非线性固有频率和基频近似频响方程（FRE）.通过实验验证了同尺度条件下（ε=1）,通频解析解及基频近似频响方程的非线性特性,以及解析耦合振动模型与通频解析解的合理性和有效性.      

轮胎参数对双轮式起落架刹车耦合振动影响研究

目前对飞机起落架低频刹车耦合振动问题的研究主要停留在考虑轮胎参数影响的起落架纵向单自由度振动特性分析，对于多自由度低频刹车耦合振动的特性研究不足。基于Simcenter 3D 动力学分析软件建立双轮支柱式起落架刚柔耦合整机滑跑刹车分析模型，研究轮胎竖向刚度和侧偏刚度对双轮支柱式起落架低频刹车纵向、横向和扭转的多自由度耦合振动的影响。结果表明：轮胎的竖向刚度对起落架横向和扭转方向上的振动影响较大，轮胎竖向刚度变化33%，横向和扭转方向上的振动变化5% 左右；轮胎的侧偏刚度对起落架低频刹车横向上的振动影响较大，轮胎侧偏刚度变化33%，横向上的振动变化15% 左右。     

Investigation on nonlinear lateral-torsional coupled vibration of a rotor system with substantial unbalance

Substantial unbalance may be caused by fan blade off during the operation period of gas turbine engines, and related dynamic problems are very critical to the safety design of rotor system in aero-engine. This article aims to understand lateral-torsional coupled vibration of the rotor system with substantial unbalance. The governing equation of a modified unbalanced rotor system is established based on Lagrangian approach. Then, a mathematical analytical method is proposed in which a linear approximation is derived and the Floquet theory and Hill’s method are incorporated, from which the modal characteristics of the unbalanced rotor are obtained. The modal characteristics of the unbalanced rotor system are revealed comprehensively for the first time. Furthermore, the relation between the modes and responses of the unbalanced rotor is discussed in detail. The results show that the lateral vibration and torsional vibration of the unbalanced rotor are coupled through the inertial terms in the governing equations. Due to the coupling, veering and lock-in phenomena occur between the frequencies of the forward whirl mode and the torsional mode. Furthermore, lock-in can lead to a kind of principal instability. With regard to the response of the unbalanced rotor, both natural vibration components and enforced vibration components appear in the lateral response, while only natural vibration components appear during torsional vibration. Moreover, natural vibration components play a crucial role in the response within the principal instability region and cause divergence of the vibration amplitudes in the lateral and torsional directions.     

功率四分支齿轮传动系统的固有特性与动载系数

建立了功率四分支齿轮传动系统动力学模型,基于轴单元法建立了单根转子的振动方程,依据齿轮啮合矩阵实现各转子振动方程的耦合,形成了传动系统的动力学方程,依据动力学方程求解了系统的固有频率和固有振型,得出了在给定转速下系统需进行越界阻尼设计以确保稳定工作的结论;然后分析了不同传动误差下齿轮动载系数变化情况.结果表明:传动误差对功率四分支齿轮传动系统的动载系数有比较明显的影响,随着传动误差的增加系统动载系数也增大,特别在高速级齿轮上表现更加显著.该分析方法和结论为四分支齿轮传动系统的动态优化设计奠定了基础.      

直升机尾传动系统扭转振动建模与特性

将直升机传动系统简化为轴段和当量圆盘的串联系统,建立了直升机尾传动系统扭转振动的等效多自由度动力学模型.模型中考虑了啮合齿轮对的综合啮合误差激励和尾减齿轮的啮合刚度.针对系统的扭转动力学方程,求得了系统的扭转振动响应,分析了直升机尾传动系统在轴的不同扭转刚度和齿轮的不同啮合刚度下的扭转振动的特性,结果表明:与尾斜轴相联的当量圆盘的扭转角位移始终比与水平轴相联的当量圆盘的扭转角位移的数值大,即与尾斜轴相联的尾减输出齿轮振动大于输入齿轮;当轴的扭转刚度变化时,水平轴相联的当量圆盘与尾斜轴相联的当量圆盘的扭转角位移变化的趋势相反;啮合刚度对系统扭转角位移的影响比较大,在建模时应当给予重视.      

弧齿锥齿轮传动试验器动力特性计算及分析

采用弯扭耦合传递矩阵法计算弧齿锥齿轮传动试验器的动力特性,研究弧齿锥齿轮啮合力作用下试验转子动力特性规律,分析试验器轴承受力及齿轮箱振动,各项计算结果与试验结果吻合较好。      

基于ADAMS的行星齿轮系刚柔耦合仿真局部缺陷识别

针对行星齿轮系在工作过程中出现的局部缺陷,将引起齿轮啮合异常,并导致冲击异常,其特征频率就会发生变化。现用ADAMS与ANSYS建立行星齿轮系的刚柔耦合模型,通过快速傅里叶变换（FFT）得到其啮合力的频域曲线,并分析无缺陷行星齿轮系的特征频率、行星轮齿局部缺陷的特征频率、太阳轮齿局部缺陷的特征频率。仿真结果与理论值吻合,说明了所建虚拟样机模型可靠,得到无缺陷行星齿轮系的特征频率是265.34Hz,行星轮齿局部缺陷的特征频率是17.67Hz,太阳轮齿局部缺陷的特征频率是36.13Hz,可用于识别行星齿轮系的行星轮或太阳轮局部缺陷。对行星齿轮系振动特性、可靠性的研究具有一定的指导意义。     

扭转刚度对双输入圆柱齿轮分流传动系统动力学均载系数的影响

建立了双输入圆柱齿轮分流传动系统的弯扭耦合动力学模型,模型中考虑了各齿轮副间的时变啮合刚度、齿侧间隙、啮合误差、啮合阻尼等因素.结合闭环结构特点,利用齿轮啮合线的相对位移和传动轴扭转位移消除方程中的刚体位移.采用4阶Runge-Kutta法求解系统动力学方程,获得了系统均载系数.结果表明:系统均载系数受输入轴扭转刚度影响小;分流级和并车级均载系数对双联齿轮轴的扭转刚度敏感,减小双联齿轮轴的扭转刚度可以改善系统的均载性能,当双联齿轮轴的扭转刚度小于1.1×105（N·m）/rad时,可将系统均载系数控制在1.06以内;输出轴扭转刚度的变化对分流级和并车级均载系数基本没有影响.      

多激励下某直升机传动系统动载特性

针对由弧齿锥齿轮和行星轮系构成的直升机传动系统,构建了纯扭振动模型,采用集中参数法建立了齿侧间隙非线性动力学方程.通过有限元方法求得了时变啮合刚度,采用4-5阶变步长Runge-Kutta法对动力学方程进行了数值求解,借助动载系数、相图、Poincaré截面图、快速傅里叶变换频谱图等分析手段,研究了传动系统在时变啮合刚度、齿侧间隙、综合传动误差、外载荷等多种激励作用下系统的动载特性.结果表明啮合刚度对传动系统的影响最大,动载系数最大值为1.5;齿侧间隙对系统响应特性的影响是有限的;啮合误差在一定程度上抑制了齿轮系统的振动;外载荷波动对不同速级的影响不同,动载系数最大值发生在并车传动.     

星型齿轮传动非线性动力学建模与动载荷研究

本文建立了星型齿轮传动的弯扭耦合非线性动力学计算模型,模型中考虑了原动机和负载惯性,齿轮副的啮合综合误差,齿轮的偏心误差,时变啮合刚度以及齿轮的啮合间隙。采用适当的广义坐标变换,将线性恢复力和非线性恢复力共存的动力学方程组统一成矩阵形式,用数值解法获得了在有间隙非线性的情况下受强参数激励和多频激励的系统的动态响应和动载荷历程。最后给出了一个算例,讨论了间隙、齿频误差和偏心误差对齿轮系统的响应、动载荷以及各星轮的载荷分配均匀性的影响。并研究了刚度和误差激励和间隙的相互耦合关系,得出了对星型齿轮传动设计和制造有意义的结论。