【摘要】：球軸承作為旋轉(zhuǎn)機(jī)械的重要支承構(gòu)件,因其轉(zhuǎn)速高、體積小和安裝方便等特點(diǎn)在工業(yè)領(lǐng)域中有廣泛的應(yīng)用,如航空發(fā)動(dòng)機(jī)、鐵路貨車和風(fēng)力發(fā)電機(jī)等。在球軸承的應(yīng)用初期,人們并未重視其引發(fā)的振動(dòng)問(wèn)題,原因是旋轉(zhuǎn)機(jī)械的運(yùn)行參數(shù)不高,系統(tǒng)具有足夠的安全裕度,不致于產(chǎn)生振動(dòng)過(guò)大或者失穩(wěn)問(wèn)題。隨著科技水平的不斷提高以及人類生活需求的不斷增長(zhǎng),旋轉(zhuǎn)機(jī)械正向著高速自動(dòng)化方向發(fā)展,其結(jié)構(gòu)越發(fā)復(fù)雜,工作環(huán)境也越發(fā)嚴(yán)苛。球軸承誘發(fā)的非線性振動(dòng)問(wèn)題不斷突顯,給傳統(tǒng)線性理論帶來(lái)了巨大的挑戰(zhàn),如航空發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子的突跳振動(dòng)和雙穩(wěn)態(tài)現(xiàn)象;高速機(jī)床主軸的失穩(wěn)分岔行為;風(fēng)機(jī)齒輪箱軸承的混沌振動(dòng)現(xiàn)象等。理解并控制這些復(fù)雜的動(dòng)力學(xué)行為需要基于系統(tǒng)本質(zhì)動(dòng)力學(xué)機(jī)理的研究。為此,本文的研究工作從以下幾個(gè)方面進(jìn)行展開(kāi):考慮球軸承的兩種本質(zhì)非線性因素:軸承間隙非線性和赫茲接觸非線性,建立球軸承-懸臂式轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的單自由度簡(jiǎn)化動(dòng)力學(xué)模型,采用平均法求得系統(tǒng)主共振情況下的解析解,探討骨架曲線的幾個(gè)重要性質(zhì):極限值、光滑性、不動(dòng)點(diǎn)和誤差,發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)主共振時(shí)骨架曲線(等效線性固有頻率)在軸承間隙處是光滑可導(dǎo)的,而且隨著振幅的逐漸增大,系統(tǒng)等效固有頻率也逐漸增大。由于赫茲接觸(1.5次非線性)的影響,骨架曲線隨著系統(tǒng)振幅的增大而“上翹”,這是赫茲接觸系統(tǒng)有別于三次非線性Duffing系統(tǒng)的重要標(biāo)志。在此基礎(chǔ)上,計(jì)算得到不同參數(shù)下系統(tǒng)的共振曲線,分析了軸承剛度、軸承間隙、系統(tǒng)阻尼和輪盤偏心距對(duì)系統(tǒng)共振曲線的影響規(guī)律。利用奇異性理論分析共振解的分岔行為,發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)參數(shù)平面內(nèi)存在五種不同的分岔模式,其中有些分岔模式存在振動(dòng)過(guò)大、振幅突跳等影響轉(zhuǎn)子系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的有害因素,工程中應(yīng)加以避免通過(guò)對(duì)兩自由度(水平和豎直方向相耦合)動(dòng)力學(xué)模型的數(shù)值仿真驗(yàn)證了單自由度簡(jiǎn)化分析模型的合理性,并證實(shí)了平均法求解的有效性,進(jìn)而為該類轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的振動(dòng)控制提供了理論依據(jù)�？紤]球軸承的非線性支承力和聯(lián)軸器不對(duì)中的影響,建立含套齒聯(lián)軸器的偏盤轉(zhuǎn)子系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型,研究系統(tǒng)在轉(zhuǎn)子不平衡激勵(lì)和聯(lián)軸器不對(duì)中激勵(lì)共同作用下的非線性響應(yīng)特性。針對(duì)具有分段和分?jǐn)?shù)指數(shù)強(qiáng)非線性特性的動(dòng)力學(xué)方程,采用諧波平衡法-時(shí)頻域轉(zhuǎn)換技術(shù)(HB-AFT)求得系統(tǒng)的周期解,并與數(shù)值積分結(jié)果進(jìn)行對(duì)比,證明HB-AFT方法的有效性。在此基礎(chǔ)上,利用Floquet理論分析所求周期解的穩(wěn)定性,給出轉(zhuǎn)子系統(tǒng)運(yùn)行的失穩(wěn)轉(zhuǎn)速區(qū)間,揭示周期運(yùn)動(dòng)的分岔機(jī)理,發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)中存在倍周期分岔、鞍結(jié)分岔和二次Hopf分岔的多種分岔模式。結(jié)合弧長(zhǎng)延拓方法分析轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的超諧波共振特性,在低速區(qū)發(fā)現(xiàn)若干超諧波共振區(qū)域,其中第三次超諧波共振較為明顯。在高速區(qū)發(fā)現(xiàn)二次超諧波共振,共振曲線具有明顯的硬彈簧特征且上翹,共振峰值較大,容易發(fā)生劇烈的振動(dòng)突跳行為,給轉(zhuǎn)子系統(tǒng)造成沖擊和損害,必須加以控制。探討軸承間隙、軸承阻尼、不對(duì)中和外加載力(定常載荷)對(duì)超諧波共振曲線的影響規(guī)律,為控制策略的制定提供了一定的參考依據(jù)。以Duffing系統(tǒng)為例,闡述定常載荷的作用機(jī)理,說(shuō)明硬彈簧系統(tǒng)中出現(xiàn)軟特性共振曲線的根本原因。考慮球軸承的間隙、赫茲接觸和變剛度效應(yīng),建立四支點(diǎn)含中介軸承的雙轉(zhuǎn)子系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型。通過(guò)數(shù)值積分方法獲得系統(tǒng)的非線性動(dòng)力學(xué)響應(yīng),研究球軸承變剛度振動(dòng)特性,發(fā)現(xiàn)內(nèi)轉(zhuǎn)子響應(yīng)頻率以其支撐軸承變剛度頻率為主,而外轉(zhuǎn)子響應(yīng)頻率中各軸承變剛度頻率成分都很明顯,這緣于內(nèi)外轉(zhuǎn)子支撐形式的不同。研究轉(zhuǎn)子不平衡振動(dòng)特性,發(fā)現(xiàn)內(nèi)外轉(zhuǎn)子經(jīng)過(guò)各自為主激勵(lì)的二階臨界轉(zhuǎn)速后分別發(fā)生自動(dòng)定心現(xiàn)象。分析雙轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速比、軸承間隙以及不對(duì)中故障對(duì)系統(tǒng)振動(dòng)特性的影響,發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)速比對(duì)雙轉(zhuǎn)子系統(tǒng)臨界轉(zhuǎn)速有很大影響;軸承間隙的增大會(huì)誘發(fā)轉(zhuǎn)子振動(dòng)的“弱混沌”現(xiàn)象,且軸承間隙越大,混沌吸引子尺寸也越大;不對(duì)中故障使得系統(tǒng)響應(yīng)頻率中二倍頻成分突高,容易發(fā)生二倍超諧共振,轉(zhuǎn)子軸心軌跡呈現(xiàn)“香蕉”形。分析結(jié)果對(duì)雙轉(zhuǎn)子系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)優(yōu)化設(shè)計(jì)具有一定的參考價(jià)值。設(shè)計(jì)不對(duì)中多盤轉(zhuǎn)子-球軸承系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)臺(tái),在不同工況下測(cè)試不對(duì)中故障轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的響應(yīng)信號(hào),并且考慮支承處球軸承的非線性因素,通過(guò)有限元方法建立實(shí)際轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的離散化動(dòng)力學(xué)模型,利用數(shù)值積分方法獲得系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)響應(yīng),并與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比,二者表現(xiàn)出很好的一致性。
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號(hào)】：TH133.3;O322
【圖文】：

1.1 課題背景及研究的目的和意義近年來(lái)，航空發(fā)動(dòng)機(jī)、汽輪機(jī)、壓縮機(jī)、風(fēng)力發(fā)電機(jī)等旋轉(zhuǎn)機(jī)械廣泛應(yīng)用于國(guó)防、能源、交通、化工等國(guó)民經(jīng)濟(jì)生產(chǎn)的重要領(lǐng)域并發(fā)揮著關(guān)鍵的作用。軸承-轉(zhuǎn)子系統(tǒng)作為旋轉(zhuǎn)機(jī)械的核心部件，其工作運(yùn)行狀態(tài)對(duì)整個(gè)旋轉(zhuǎn)機(jī)械的安全可靠性有重要影響。隨著制造水平的不斷提高，旋轉(zhuǎn)機(jī)械結(jié)構(gòu)越發(fā)復(fù)雜，而它們的工作環(huán)境也變得越發(fā)惡劣，這給旋轉(zhuǎn)機(jī)械的安全穩(wěn)定運(yùn)行帶來(lái)了巨大的挑戰(zhàn)[1,2]。如某型航空發(fā)動(dòng)機(jī)近渦輪端主軸軸承的抱軸卡死故障嚴(yán)重危害了飛機(jī)的飛行安全；某型國(guó)產(chǎn)渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)曾多次出現(xiàn)渦輪軸后錐段疲勞斷裂，造成了機(jī)毀人亡的重大事故；高蒸汽參數(shù)汽輪機(jī)發(fā)生的油膜振蕩和汽流激振現(xiàn)象導(dǎo)致了頻繁的跳機(jī)事故，浪費(fèi)了大量的人力物力，造成了巨大的經(jīng)濟(jì)損失。一次次事故的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)使得人們對(duì)軸承-轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的認(rèn)識(shí)不斷深入，促進(jìn)了人們對(duì)其動(dòng)力學(xué)行為和故障機(jī)理的科學(xué)研究。圖 1-1 為某型雙轉(zhuǎn)子航空渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)的剖視圖。

和混沌運(yùn)動(dòng)現(xiàn)象等。Childs[12]利用參激振動(dòng)理稱軸承間隙對(duì)轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)的影響規(guī)律，揭示了轉(zhuǎn)to[13]在考慮軸承間隙和赫茲接觸非線性因素的近似表達(dá)式，利用增量諧波平衡法計(jì)算了球非線性不平衡響應(yīng)，研究了不同速度區(qū)間上轉(zhuǎn)在水平與豎直方向上存在兩種不同的非線性特和豎直方向上的軟彈簧特性。Kim 和 Noah[14剛度的兩自由度 Jeffcott 轉(zhuǎn)子的動(dòng)力學(xué)模型，的周期響應(yīng)和類周期響應(yīng)，結(jié)合 Floquet 理論，同時(shí)指出倍周期分岔和二次 Hopf 分岔是系iwari 和 Gupta[16,17]研究了球軸承支承的平衡、范圍內(nèi)的動(dòng)力學(xué)響應(yīng)特性，發(fā)現(xiàn)了系統(tǒng)通向混突出強(qiáng)調(diào)了軸承間隙對(duì)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)行為的重要結(jié)果表明軸承間隙的增大使得轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)的失穩(wěn)不規(guī)則非周期運(yùn)動(dòng)。圖 1-2 給出了球軸承的模

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1 李洪亮;球軸承—不對(duì)中轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的非線性振動(dòng)特性研究[D];哈爾濱工業(yè)大學(xué);2017年

本文編號(hào)：2730416