旋轉(zhuǎn)機(jī)械是在工業(yè)部門中應(yīng)用最為廣泛的一類機(jī)械設(shè)備,它的穩(wěn)定運行影響著整個工業(yè)的發(fā)展進(jìn)程。隨著社會的發(fā)展需要,現(xiàn)代旋轉(zhuǎn)機(jī)械正朝著高速、重載、自動化和復(fù)雜化方向發(fā)展,由此所引發(fā)的問題也越來越多。由于運行環(huán)境比較惡劣,復(fù)雜高速的旋轉(zhuǎn)機(jī)械時常由于非線性因素激發(fā)起各種故障,使系統(tǒng)失去穩(wěn)定性甚至發(fā)生毀機(jī)事故,這些事故一般情況下所造成的經(jīng)濟(jì)損失、人員傷亡和社會危害是難以估量的,因此對旋轉(zhuǎn)機(jī)械的穩(wěn)定性研究是十分必要的。以往對轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的非線性特性及穩(wěn)定性研究一般采用簡單的動力模型,對于較為復(fù)雜的工程機(jī)組,這類模型已經(jīng)不能勝任。因此,對復(fù)雜轉(zhuǎn)子-軸承系統(tǒng)建模和運行穩(wěn)定性研究有著十分重要的現(xiàn)實意義,目前國內(nèi)外一些科技工作者也開始注意到這方面的問題,并取得了一定的成果。 本課題以東北大學(xué)與沈陽鼓風(fēng)機(jī)(集團(tuán))有限公司聯(lián)合進(jìn)行的“大型壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子振動實驗系統(tǒng)”橫向課題為背景,以聞邦椿教授提出的“基于系統(tǒng)工程的產(chǎn)品綜合設(shè)計理論與方法”框架內(nèi)的動態(tài)優(yōu)化設(shè)計應(yīng)用研究為目的,進(jìn)行了含故障復(fù)雜轉(zhuǎn)子-軸承系統(tǒng),即含單故障/耦合故障的單跨雙盤轉(zhuǎn)子-軸承系統(tǒng)、含耦合故障的雙跨多盤的轉(zhuǎn)子-軸承系統(tǒng)的周期運行穩(wěn)定性及分岔特性的理論和實驗研究。具體研究內(nèi)容和如下: (1)研究了求解復(fù)雜轉(zhuǎn)子-軸承非線性系統(tǒng)周期解及判斷其穩(wěn)定性、分岔的延拓打靶算法,以有限元理論為基礎(chǔ)開發(fā)了轉(zhuǎn)子-軸承非線性動力學(xué)工具箱,該工具箱共含50余個子函數(shù),功能包括:計算臨界轉(zhuǎn)速,材料阻尼系數(shù),彈性支承系統(tǒng)的時域及頻域響應(yīng),單跨和多跨非線性轉(zhuǎn)子系統(tǒng)時域、頻域響應(yīng),以及分岔、混沌、穩(wěn)定性等問題。其中非線性因素包括油膜支承、裂紋、碰摩等。為獲得較高的計算精度和有效地節(jié)約計算成本,工具箱含有無量綱化和降維處理等功能。 (2)建立了油膜支承雙盤轉(zhuǎn)子-軸承系統(tǒng)非線性動力學(xué)模型,利用求解非線性系統(tǒng)周期解的延拓打靶方法,研究了系統(tǒng)在偏心量-轉(zhuǎn)速、偏心相位-轉(zhuǎn)速、軸承長徑比-轉(zhuǎn)速、軸承間隙-轉(zhuǎn)速、潤滑油動力粘度-轉(zhuǎn)速參數(shù)域內(nèi)的系統(tǒng)穩(wěn)定性及分岔行為,得到了系統(tǒng)周期運行的失穩(wěn)規(guī)律;搭建相應(yīng)的實驗裝置,通過實驗研究了油膜支承的轉(zhuǎn)子-軸承系統(tǒng)失穩(wěn)特性及非線性振動特征。研究發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)的同頻周期運動主要以倍周期、Hopf分岔失穩(wěn),并且隨著某一參數(shù)的變化系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和吸引域發(fā)生變化,使系統(tǒng)分岔曲線會發(fā)生跳躍突變現(xiàn)象,通常情況下,隨著分岔類型的跳躍變化失穩(wěn)轉(zhuǎn)速也會發(fā)生突變。 (3)以油膜支承含碰摩故障雙盤轉(zhuǎn)子-軸承系統(tǒng)為研究對象,分析了碰摩轉(zhuǎn)子-軸承系統(tǒng)對于不同碰摩位置在摩擦系數(shù)-轉(zhuǎn)速、碰摩間隙-轉(zhuǎn)速參數(shù)域內(nèi)系統(tǒng)周期運動的失穩(wěn)分岔行為及其規(guī)律;開發(fā)了配套的碰摩監(jiān)測裝置,并搭建了相應(yīng)的實驗裝置,驗證了主要的分析結(jié)果。研究發(fā)現(xiàn)不同的碰摩位置和偏心量對系統(tǒng)的穩(wěn)定性和動態(tài)特性著很大的影響,這里認(rèn)為碰摩故障比較容易改變系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu);當(dāng)碰摩故障加重時容易干擾“油膜渦動”及“油膜振蕩”的發(fā)生,使失穩(wěn)轉(zhuǎn)速出現(xiàn)延遲現(xiàn)象,碰摩故障容易使頻域響應(yīng)出現(xiàn)倍頻成份。 (4)對于油膜支承含裂紋故障的雙盤轉(zhuǎn)子-軸承系統(tǒng),分析了裂紋轉(zhuǎn)子系統(tǒng)對于裂紋在偏心量-轉(zhuǎn)速、裂紋深度-轉(zhuǎn)速、裂紋位置-轉(zhuǎn)速參數(shù)域內(nèi)系統(tǒng)運行穩(wěn)定性及失穩(wěn)規(guī)律;并做了相應(yīng)的驗證實驗。研究發(fā)現(xiàn)裂紋的存在以及位置的變化對系統(tǒng)失穩(wěn)轉(zhuǎn)速和失穩(wěn)類型的影響并不是很大,隨著裂紋的擴(kuò)展失穩(wěn)轉(zhuǎn)速有緩慢升高趨勢,主要原因是由于裂紋的存在干擾了油膜渦動的形成,但這并不是說裂紋的存在是有益的,它的存在將給機(jī)組帶來很大隱患,對于數(shù)值計算當(dāng)裂紋深度達(dá)到一定程度時將會發(fā)散而無法計算,對應(yīng)于工程現(xiàn)場將會出現(xiàn)毀機(jī)事故,因此轉(zhuǎn)子系統(tǒng)中的裂紋故障是必須避免的。 (5)對于含有碰摩-裂紋耦合故障的雙盤多自由度轉(zhuǎn)子-軸承系統(tǒng),分析了其偏心量-轉(zhuǎn)速、碰摩間隙-轉(zhuǎn)速、裂紋深度-轉(zhuǎn)速參數(shù)域內(nèi)的運行穩(wěn)定性及分岔規(guī)律,并做了相應(yīng)的實驗進(jìn)行驗證。研究發(fā)現(xiàn)隨著偏心量的增加,系統(tǒng)失穩(wěn)轉(zhuǎn)速有降低趨勢,當(dāng)轉(zhuǎn)盤的偏心量增大到一定程度時,由于定子對其限制作用會使系統(tǒng)的失穩(wěn)轉(zhuǎn)速升高:當(dāng)碰摩間隙減小時,同樣因為增大了碰摩力使系統(tǒng)失穩(wěn)轉(zhuǎn)速有升高現(xiàn)象;另外在碰摩和裂紋耦合故障的轉(zhuǎn)子-軸承系統(tǒng)中,碰摩故障對系統(tǒng)的影響較為明顯,裂紋對系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響相對于碰摩故障稍微弱一些。 (6)建立了考慮油膜支承含碰摩-裂紋耦合故障的雙跨轉(zhuǎn)子-軸承系統(tǒng)動力學(xué)模型,研究了其在偏心量-轉(zhuǎn)速、碰摩間隙-轉(zhuǎn)速、裂紋深度-轉(zhuǎn)速參數(shù)域內(nèi)研究穩(wěn)定性及分岔行為,并做了相應(yīng)的驗證實驗。研究表明雙跨轉(zhuǎn)子-軸承系統(tǒng)的失穩(wěn)特性不同于前面單跨系統(tǒng),其分岔類型和失穩(wěn)轉(zhuǎn)速并沒有出現(xiàn)突變現(xiàn)象,這主要是由轉(zhuǎn)子系統(tǒng)本身的結(jié)構(gòu)特性所決定的。對于含耦合故障雙跨系統(tǒng)的實驗研究表明,由于彈性聯(lián)軸器的作用,使兩端轉(zhuǎn)子的響應(yīng)表現(xiàn)出一強(qiáng)一弱的現(xiàn)象;大偏心量使系統(tǒng)的失穩(wěn)轉(zhuǎn)速升高,并且碰摩故障的特性表現(xiàn)得較為明顯一些。
【學(xué)位單位】：東北大學(xué)　
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位年份】：2009
【中圖分類】：TH133.3;TH165.3
【文章目錄】：
摘要
ABSTRACT
第一章 緒論
    1.1 選題背景和課題研究的目的與意義
    1.2 非線性振動系統(tǒng)的研究方法與現(xiàn)狀
        1.2.1 結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性與分岔
        1.2.2 非線性系統(tǒng)分岔問題的研究方法
    1.3 非線性轉(zhuǎn)子-軸承系統(tǒng)的動態(tài)特性與穩(wěn)定性研究現(xiàn)狀
        1.3.1 含油膜力轉(zhuǎn)子-軸承系統(tǒng)動力學(xué)特性與穩(wěn)定性的研究現(xiàn)狀
        1.3.2 碰摩轉(zhuǎn)子軸承系統(tǒng)動力學(xué)特性與穩(wěn)定性的研究現(xiàn)狀
        1.3.3 裂紋轉(zhuǎn)子軸承系統(tǒng)動力學(xué)特與穩(wěn)定性的研究現(xiàn)狀
        1.3.4 耦合故障復(fù)雜轉(zhuǎn)子軸承系統(tǒng)動力學(xué)特性與穩(wěn)定性研究現(xiàn)狀
    1.4 問題的提出與本文的主要研究內(nèi)容
第二章 轉(zhuǎn)子-軸承非線性系統(tǒng)運行穩(wěn)定性的數(shù)值研究方法
    2.1 概述
    2.2 轉(zhuǎn)子-軸承非線性系統(tǒng)及基本概念
        2.2.1 轉(zhuǎn)子-軸承非線性系統(tǒng)的一般表述
        2.2.2 Poincaré映射
    2.3 非線性系統(tǒng)周期解的穩(wěn)定性與分岔理論
        2.3.1 攝動理論與穩(wěn)定性
        2.3.2 Floquet理論
    2.4 非線性系統(tǒng)穩(wěn)定性分岔的數(shù)值分析方法
        2.4.1 求解非線性系統(tǒng)周期解的打靶法
        2.4.2 求解非線性系統(tǒng)的迭代方法
        2.4.3 確定迭代初始值的延拓法
    2.5 多自由度轉(zhuǎn)子-軸承系統(tǒng)模型的建立與求解
        2.5.1 有限元理論基礎(chǔ)
        2.5.2 非線性油膜力模型
        2.5.3 動力系統(tǒng)的無量綱化與降維
        2.5.4 大型非線性系統(tǒng)系統(tǒng)的求解方法
    2.6 數(shù)值算例分析
        2.6.1 動力學(xué)方程
        2.6.2 求解結(jié)果與分析
        2.6.3 兩類模型分析結(jié)果的比較
    2.7 本章小結(jié)
第三章 油膜支承雙盤轉(zhuǎn)子-軸承系統(tǒng)的運行穩(wěn)定性及分岔研究
    3.1 概述
    3.2 油膜支承雙盤轉(zhuǎn)子-軸承系統(tǒng)的動力學(xué)模型
        3.2.1 轉(zhuǎn)子-軸承系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的建立
        3.2.2 降維模型的確定與結(jié)果驗證
    3.3 轉(zhuǎn)子-軸承系統(tǒng)的分岔及穩(wěn)定性分析
        3.3.1 偏心量對系統(tǒng)運動穩(wěn)定性的影響
        3.3.2 偏心初始相位對系統(tǒng)運動穩(wěn)定性的影響
        3.3.3 軸承長徑比對系統(tǒng)運動穩(wěn)定性的影響
        3.3.4 軸承間隙對系統(tǒng)運動穩(wěn)定性的影響
        3.3.5 潤滑油動力粘度對系統(tǒng)運動穩(wěn)定性的影響
    3.4 油膜故障轉(zhuǎn)子-軸承系統(tǒng)動力學(xué)行為實驗研究
        3.4.1 實驗裝置及實驗方案
        3.4.2 實驗結(jié)果分析
    3.5 本章小結(jié)
第四章 兩處碰摩轉(zhuǎn)子-軸承系統(tǒng)的運行穩(wěn)定性及分岔研究
    4.1 概述
    4.2 兩處碰摩故障轉(zhuǎn)子-軸承系統(tǒng)的動力學(xué)模型
        4.2.1 數(shù)學(xué)模型的建立
        4.2.2 降維模型的確定與驗證
    4.3 系統(tǒng)的分岔及穩(wěn)定性分析
        4.3.1 碰摩位置對系統(tǒng)運動穩(wěn)定性的影響
        4.3.2 碰摩間隙對系統(tǒng)運動穩(wěn)定性的影響
        4.3.3 摩擦系數(shù)對系統(tǒng)運動穩(wěn)定性的影響
    4.4 兩處碰摩故障轉(zhuǎn)子-軸承系統(tǒng)的動力學(xué)行為實驗研究
        4.4.1 實驗裝置及實驗方案
        4.4.2 實驗結(jié)果分析
    4.5 本章小結(jié)
第五章 雙盤裂紋轉(zhuǎn)子-軸承系統(tǒng)的運行穩(wěn)定性及分岔研究
    5.1 概述
    5.2 雙盤裂紋故障轉(zhuǎn)子-軸承系統(tǒng)的動力學(xué)模型
        5.2.1 裂紋故障轉(zhuǎn)子-軸承系統(tǒng)的動力學(xué)模型
        5.2.2 含橫向裂紋軸段的有限單元模型
        5.2.3 降維模型的確定與驗證
    5.3 含裂紋轉(zhuǎn)子-軸承系統(tǒng)的分岔及穩(wěn)定性分析
        5.3.1 偏心量對裂紋故障系統(tǒng)運動穩(wěn)定性的影響
        5.3.2 裂紋深度對系統(tǒng)運動穩(wěn)定性的影響
        5.3.3 裂紋位置對系統(tǒng)運動穩(wěn)定性的影響
    5.4 含裂紋故障轉(zhuǎn)子-軸承系統(tǒng)動力學(xué)行為實驗研究
        5.4.1 實驗裝置及實驗方案
        5.4.2 實驗結(jié)果分析
    5.5 本章小結(jié)
第六章 碰摩-裂紋轉(zhuǎn)子-軸承系統(tǒng)的運行穩(wěn)定性及分岔研究
    6.1 概述
    6.2 碰摩與裂紋耦合故障轉(zhuǎn)子-軸承系統(tǒng)的動力學(xué)模型
        6.2.1 碰摩與裂紋耦合故障轉(zhuǎn)子-軸承系統(tǒng)的動力學(xué)模型
        6.2.2 降維模型的確定與驗證
    6.3 系統(tǒng)的分岔及穩(wěn)定性分析
        6.3.1 偏心量對耦合故障系統(tǒng)運行穩(wěn)定性的影響
        6.3.2 碰摩間隙對系統(tǒng)運動穩(wěn)定性的影響
        6.3.3 裂紋深度對系統(tǒng)運動穩(wěn)定性的影響
    6.4 碰摩與裂紋耦合故障轉(zhuǎn)子-軸承系統(tǒng)動力學(xué)行為實驗研究
        6.4.1 實驗裝置及實驗方案
        6.4.2 實驗結(jié)果分析
    6.5 本章小結(jié)
第七章 碰摩-裂紋雙跨轉(zhuǎn)子-軸承系統(tǒng)的運行穩(wěn)定性及分岔研究
    7.1 概述
    7.2 含耦合故障雙跨轉(zhuǎn)子-軸承系統(tǒng)的動力學(xué)模型
        7.2.1 碰摩與裂紋耦合故障雙跨轉(zhuǎn)子-軸承系統(tǒng)的動力學(xué)模型
        7.2.2 降維模型的確定與驗證
    7.3 雙跨轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的分岔及穩(wěn)定性分析
        7.3.1 偏心量對耦合故障雙跨系統(tǒng)運行穩(wěn)定性的影響
        7.3.2 碰摩間隙對含裂紋故障雙跨系統(tǒng)運行穩(wěn)定性的影響
        7.3.3 裂紋深度對含碰摩故障雙跨系統(tǒng)運行穩(wěn)定性的影響
    7.4 碰摩-裂紋耦合故障雙跨轉(zhuǎn)子-軸承系統(tǒng)動力學(xué)行為實驗研究
        7.4.1 實驗裝置及實驗方案
        7.4.2 實驗結(jié)果分析
    7.5 本章小結(jié)
第八章 結(jié)論與展望
    8.1 結(jié)論
    8.2 主要創(chuàng)新點
    8.3 展望
參考文獻(xiàn)
致謝
附錄A 軸段單元相關(guān)公式
附錄B 碰摩監(jiān)測裝置電路圖
附錄C 作者簡介
附錄D 攻讀博士期間獲得榮譽與獎勵
附錄E 攻讀博士期間參加的科研項目
附錄F 攻讀博士期間發(fā)表與錄用的學(xué)術(shù)論文

【引證文獻(xiàn)】

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1 王少紅;徐小力;馬超;;雙跨轉(zhuǎn)子軸承系統(tǒng)碰摩-松動耦合故障非線性動力學(xué)分析[J];北京信息科技大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版);2012年04期

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1 胡清華;軸承—轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的非線性動力學(xué)分析與優(yōu)化研究[D];大連理工大學(xué);2011年

2 張昆鵬;轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的降維及非線性動力學(xué)研究[D];天津大學(xué);2011年

3 龐新宇;多支承轉(zhuǎn)子系統(tǒng)軸承載荷與振動耦合特性研究[D];太原理工大學(xué);2011年

本文編號：2869883