轴承—转子系统非线性动力学行为及其耦合调频技术研究

论文摘要

本文围绕轴承—转子系统的非线性行为及其耦合调频技术来进行研究工作。主要研究目的是深入了解轴承中润滑流体与转子流固耦合的机理,研究轴承润滑流体的流动情况、转子运动情况和轴承所受载荷等因素之间的关联性,观察和分析轴承—转子系统中复杂的非线性特征,进而通过耦合调频方法提高轴承—转子系统的稳定性。结合滑动轴承雷诺方程的解析解和非线性油膜力的表达式,分析了滑动轴承低频涡动特性,同时讨论了不可压流动假设得到的雷诺方程解析解,对于气体润滑轴承的适用性,为气体润滑轴承的耦合调频试验建立了理论基础。通过论述轴承—转子系统中流固耦合原理及其调频的技术含义,进一步研究了轴承—转子系统“耦合调频”的概念。根据轴承—转子系统载荷平衡方程,完善了“工程稳定性”的判别准则。以耦合调频基本概念为理论基础,工程稳定性判据作为前提条件,论述了耦合调频的具体技术思路,从而为气体润滑轴承—转子系统的耦合调频试验提供了理论依据。完成了动静压混合气体润滑轴承的起停—运行试验。从非线性动力学理论出发,分析了气膜涡动、振荡和失稳过程的非线性特征。验证了固有频率和气膜涡动频率之间的耦合所导致的气膜振荡,使得系统进入混沌振动状态的机理;观察到混沌振动的“有界”性质,以及气膜失稳导致碰摩的过程。根据耦合调频的基本思想,总结了以下调频措施:改变系统固有频率和气膜涡动频率之间的耦合关系,使得设计转速与气膜涡动和振荡发生的转速范围保持一定裕度;根据工程稳定性判据,有效的控制振幅及其变化趋势,并使得混沌振动的转速范围尽可能小;有效抑制气膜涡动的能量积聚以便避免气膜振荡,可以提高系统稳定性,避免气膜失稳的发生。这些分析为轴承—转子耦合调频提供了试验依据。结合耦合调频基本原理和工程稳定性判据,对气体润滑轴承—转子系统进行了耦合调频试验。静态和动态调整的试验表明,通过调整轴承供气压力改变固有频率和气膜刚度,可以改变涡动频率与固有频率的耦合关系,说明低频涡动通过耦合调频方法是可以控制的;气膜振荡导致的低频涡动能量的俘获特征,对于轴承—转子稳定性是不利的;在气膜失稳转速区域施加适当的轴承压力,调节系统刚度,同时有效控制能量输入,避免低频涡动能量积累,可以控制低频和工频能量分配关系,避免低频能量俘获而出现碰摩失稳。观察分析了由于轴承设计刚度差异造成的“双低频”现象,并讨论了这种情况下耦合调频技术的应用。总结归纳了轴承—转子系统流固耦合的规律,进一步验证了耦合调频技术的有效性和实用性。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 目录
• 第一章 引言
• 1.1 课题背景和目的意义
• 1.2 国内外研究状况和发展趋势
• 1.2.1 滑动轴承非线性油膜力模型
• 1.2.2 轴承-转子系统的非线性行为
• 1.2.3 气体润滑轴承的理论和实验研究
• 1.2.4 轴承-转子系统的耦合调频技术
• 1.3 本文的研究思路和主要工作
• 第二章 气体润滑轴承—转子试验装置及测试分析方法
• 2.1 气体润滑轴承的特点
• 2.2 气体润滑轴承—转子试验装置与测量系统
• 2.3 轴承—转子系统非线性行为的分析方法
• 2.3.1 轴承—转子系统的力学性质及非线性动力学原理
• 2.3.2 非线性特征的分析方法
• 2.3.2.1 时域波形分析
• 2.3.2.2 频谱图分析
• 2.3.2.3 轴心轨迹分析
• 2.3.2.4 三维耦合频谱分析
• 2.3.2.5 分叉图分析
• 2.4 小结
• 第三章 滑动轴承低频涡动和振荡现象的机理研究
• 3.1 滑动轴承流体动力润滑原理
• 3.1.1 不可压缩流体动力润滑方程的解析模型
• 3.1.1.1 Reynolds方程的结构及边界条件分析
• 3.1.1.2 Reynolds方程的压力分布
• 3.1.2 动态油膜力的解析模型
• 3.1.2.1 油膜速度的坐标变换
• 3.1.2.2 动态油膜力的表达式
• 3.1.3 不可压流动假设对气体润滑轴承的适用性
• 3.2 滑动轴承涡动机理研究
• 3.2.1 油（气）膜涡动和油（气）膜振荡的特征
• 3.2.2 半速涡动的机理
• 3.2.2.1 油膜流场的压力分布
• 3.2.2.2 动态油膜力的半速涡动特性
• 3.2.2.3 油膜涡动比分析
• 3.3 油膜振荡及其"滞后"效应分析
• 3.4 小结
• 第四章 轴承—转子系统耦合调频的基本原理
• 4.1 轴承—转子系统的耦合调频原理
• 4.2 轴承-转子系统工程稳定性判别准则
• 4.3 轴承-转子系统的耦合调频技术
• 4.4 小结
• 第五章 气体润滑轴承非线性行为的试验分析
• 5.1 流体润滑轴承的非线性分析
• 5.2 气体润滑轴承涡动和振荡
• 5.2.1 试验过程和现象
• 5.2.2 非线性行为分析
• 5.3 气体润滑轴承的气膜失稳
• 5.3.1 试验过程和现象
• 5.3.2 非线性行为分析
• 5.4 试验中的混沌特征及路径
• 5.4.1 低转速下的混沌现象
• 5.4.2 准周期路径进入混沌
• 5.4.3 倍周期路径进入混沌
• 5.5 小结
• 第六章 气体润滑轴承—转子系统耦合调频的技术应用
• 6.1 耦合调频的静态调整试验
• 6.2 耦合调频的动态调整试验
• 6.3 双低频现象及其耦合调频
• 6.4 小结
• 第七章 结论和展望
• 7.1 主要研究内容
• 7.2 主要结论
• 7.3 未来研究工作的展望
• 主要符号说明
• 参考文献
• 攻读博士学位期间发表的论文
• 致谢