不对中转子系统的动力学机理及其振动特性研究

论文摘要

转子系统作为旋转机械的核心部件,经常发生不平衡、不对中、碰摩、油膜振荡、转轴裂纹、基座松动等故障,这些故障会导致严重的异常振动,引起灾难性的后果。其中,转子系统不对中故障发生的概率仅次于不平衡,是最常发生的第二大类故障。不对中转子系统会引起旋转机械振动过大,引发轴承负荷不均衡、轴承过度磨损、联轴器过早失效以及轴挠曲变形加剧等一系列问题。不对中转子系统的动力学机理问题目前还没得到有效解决,特别是涉及到滚动轴承不对中、套齿联轴器不对中的转子系统动力学机理问题。同时,转子系统的固有特性和振动响应会受到不对中因素的显著影响,需要开展深入的理论和试验研究。因此,不对中转子系统的动力学机理问题及其振动特性研究是目前理论和工程技术领域的重要课题之一。本文针对带有滚动轴承不对中的二支点转子系统、带有套齿联轴器不对中的三支点转子系统,开展不对中环节的动力学建模、转子系统的动力学建模、基于有限元的数值仿真计算、基于模型试验台的转子系统振动测试试验等基础理论研究工作,本文所完成的主要内容如下：(1)针对带有角接触球轴承支承的转子系统,考虑结构安装存在的轴承偏置因素,基于Hertz接触理论,引入了对中表征参量平移量和角度偏转量,分别建立了在正常状态下和不对中状态下的滚动轴承5自由度刚度解析模型,分析了不对中表征参量对滚动轴承刚度特性的影响规律。通过滚动轴承有限元计算和静止态滚动轴承刚度测试进行了对比验证。(2)提出了基于Lagrange能量法的带有滚动轴承不对中的两支点转子系统的动力学建模方法,模型中引入了考虑不对中因素的5自由度滚动轴承刚度模型。基于该解析模型分析了滚动轴承不对中的激振机理,获得了两支点转子系统滚动轴承不对中引起的附加激励力。进行该系统振动响应的仿真分析,获得了轴承不对中转子系统的固有频率和振动响应的变化规律。(3)提出了带有滚动轴承不对中的二支点不对中转子系统的有限元建模方法,进行转子系统振动响应仿真分析,获得了滚动轴承不对中对转子系统振动的时频响应和轴心轨迹,并通过试验进行了对比分析,角度不对中转子系统都表现出明显的轴向振动特征。(4)根据套齿联轴器的套齿啮合和轴向接触等典型结构特征,建立了考虑横向刚度、弯曲刚度和轴向刚度的套齿联轴器5自由度刚度模型。基于Lagrange能量法推导了带有套齿联轴器不对中的三支点转子系统的解析模型。基于该解析模型,分析了套齿联轴器不对中对转子系统的激振原理。进行该转子系统振动响应的仿真分析,两个转子的振动呈现不同的规律,不对中长轴表现出显著的二倍频成分和复杂的振动行为,特别是套齿联轴器不对中造成了转子系统强烈的轴向振动。(5)提出了带有套齿联轴器不对中的三支点转子系统的有限元建模方法。进行转子系统振动响应的数值仿真分析,结果表明,不对中长轴受不对中的影响更显著。所得结果与模型实验台测试结果进行了对比分析,具有相似的二倍频振动特征和轴向振动特征。本文针对转子系统的不对中问题,从解析分析、有限元仿真分析和试验验证三个层面,开展了滚动轴承不对中和联轴器不对中的动力学机理与振动特性的研究工作,获得了不对中转子系统的横向振动和轴向振动特征,所得结果对进行转子系统不对中的振动预估、评价和控制具有重要价值。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 研究的背景和意义
• 1.2 不对中的定义及其影响
• 1.2.1 不对中基本概念
• 1.2.2 不对中产生原因及其危害
• 1.3 国内外研究现状
• 1.3.1 不对中动力学模型
• 1.3.2 不对中振动特性研究
• 1.3.3 不对中仿真研究
• 1.3.4 不对中试验模拟
• 1.4 本文的主要研究内容
• 第2章 不对中条件下滚动轴承刚度特性研究
• 2.1 引言
• 2.2 滚动轴承力学模型
• 2.2.1 滚动轴承刚度矩阵的定义
• 2.2.2 滚动轴承刚度矩阵的推导
• 2.3 滚动轴承的不对中表征参数
• 2.4 轴承不对中的刚度模型
• 2.4.1 平行不对中的轴承刚度模型
• 2.4.2 角度不对中的轴承刚度模型
• 2.4.3 组合不对中的轴承刚度模型
• 2.5 滚动轴承不对中刚度的有限元与试验验证
• 2.5.1 滚动轴承的有限元模型
• 2.5.2 有限元计算结果与解析结果的对比
• 2.5.3 滚动轴承刚度的试验验证
• 2.6 本章小结
• 第3章 带有轴承不对中的两支点转子系统的振动特性研究
• 3.1 引言
• 3.2 带有滚动轴承不对中的两支点转子系统的力学模型
• 3.2.1 坐标系的建立
• 3.2.2 广义位移和速度向量
• 3.2.3 系统的动能和弹性势能
• 3.2.4 两支点不对中转子系统的动力学方程
• 3.3 轴承不对中激振机理分析
• 3.4 轴承不对中对转子系统固有特性的影响
• 3.4.1 固有特性的计算方法
• 3.4.2 算例
• 3.5 轴承不对中对转子系统响应特性的影响
• 3.5.1 平行不对中的转子系统振动响应的影响
• 3.5.2 角度不对中量对转子系统振动响应的影响
• 3.5.3 组合不对中对转子系统的振动响应的影响
• 3.6 本章小结
• 第4章 带有轴承不对中两支点转子系统振动特性的有限元分析
• 4.1 引言
• 4.2 带有轴承不对中的转子系统有限元建模方法
• 4.2.1 转轴单元
• 4.2.2 转盘单元
• 4.2.3 弹性支承刚度单元
• 4.2.4 转子系统的整体有限元模型
• 4.2.5 转子系统的激振力
• 4.3 基于有限元仿真的轴承不对中转子系统的固有特性分析
• 4.3.1 两支点转子系统的有限元模型
• 4.3.2 滚动轴承不对中对转子系统固有特性的影响
• 4.4 滚动轴承不对中对转子系统振动响应的影响
• 4.5 本章小结
• 第5章 带有轴承不对中两支点转子系统振动特性的试验研究
• 5.1 引言
• 5.2 两支点模型转子试验台及测试系统
• 5.3 试验方案
• 5.4 试验结果分析
• 5.5 本章小结
• 第6章 不对中套齿联轴器刚度模型
• 6.1 引言
• 6.2 套齿联轴器结构分析
• 6.3 套齿联轴器啮合刚度模型
• 6.3.1 套齿联轴器刚度基本定义
• 6.3.2 单齿的力学分析
• 6.3.3 套齿联轴器晒合刚度
• 6.4 套齿联轴器的接触刚度
• 6.4.1 单个球体与半空间体的Hertz接触
• 6.4.2 GW接触模型
• 6.5 套齿联轴器刚度计算
• 6.6 套齿联轴器刚度有限元验证
• 6.6.1 有限元模型建立
• 6.6.2 套齿联轴器有限元仿真结果
• 6.7 本章小结
• 第7章 带有套齿联轴器不对中的三支点转子系统的振动特性研究
• 7.1 引言
• 7.2 带有套齿联轴器不对中的三支点转子系统的解析模型
• 7.2.1 三支点转子系统的力学模型
• 7.2.2 坐标系的建立
• 7.2.3 转子系统的广义位移和广义速度
• 7.2.4 系统的动能和弹性势能
• 7.2.5 三支点转子系统的动力学方程
• 7.3 联轴器不对中的激振机理分析
• 7.4 联轴器不对中对转子系统固有特性的影响
• 7.4.1 研究对象
• 7.4.2 联轴器不对中对转子系统固有频率的影响
• 7.5 联轴器不对中对转子系统振动响应的影响
• 7.5.1 联轴器平行不对中对转子系统振动响应的影响
• 7.5.2 联轴器角度不对中对转子系统振动响应的影响
• 7.5.3 组合不对中对系统振动响应的影响
• 7.6 本章小结
• 第8章 带有联轴器不对中的三支点转子系统振动特性的有限元分析
• 8.1 引言
• 8.2 考虑联轴器不对中的三支点转子系统有限元模型
• 8.3 带联轴器不对中的三支点转子系统的激振力
• 8.3.1 不平衡激励力
• 8.3.2 联轴器不对中激励力
• 8.4 联轴器不对中对转子系统振动响应的影响
• 8.4.1 平行不对中量对转子系统振动响应的影响
• 8.4.2 角度不对中量对转子系统振动响应的影响
• 8.4.3 组合不对中量对转子系统振动响应的影响
• 8.5 本章小结
• 第9章 带有联轴器不对中的三支点转子系统试验研究
• 9.1 引言
• 9.2 三支点转子试验台
• 9.3 试验结果分析
• 9.3.1 正常工况下的试验结果
• 9.3.2 不对中工况下的试验结果
• 9.3.3 不同工况下轴向振动分析
• 9.4 本章小结
• 第10章 结论与展望
• 10.1 结论
• 10.2 展望
• 参考文献
• 附录
• 附录A
• 附录B
• 致谢
• 攻读学位期间发表的论著和科研、获奖情况
• 作者简介