不平衡磁拉力作用下偏心转子-轴承系统非线性振动特性分析

发布时间：2020-09-11 16:51

　　 转子-轴承系统在运动过程中,往往会受到包括不平衡磁拉力和非线性油膜力在内等多种非线性力的作用,这些非线性力之间相互耦合,严重影响着系统的振动特性。在转子的制造过程中,由于误差的存在,系统往往存在质量偏心(动态偏心),弯曲振动和扭转振动作为系统的两种基本振动形式在转子质量偏心存在的前提下会发生相互耦合的作用,使得转子-轴承系统表现出复杂的非线性动态响应。尤其是在同时考虑系统静偏心(静态偏心)的情况下,即在气隙混合偏心状态下,转子-轴承系统的非线性动力学行为会变的更加复杂。为了分析动态偏心和混合偏心时,转子-轴承系统在不平衡磁拉力作用下的弯曲振动特性和弯扭耦合振动特性,本文建立了转子-轴承系统分别在动态偏心和混合偏心下的动力学模型及运动微分方程。选取高阶Runge-Kutta法求解系统微分方程,得到不同变量下的转子分岔图、频谱瀑布图、Poincare图和频谱图等。综合运用上述转子的振动特性图分析了动态偏心和混合偏心时转子-轴承系统的弯曲振动特性和弯扭耦合振动特性。本文主要的研究内容及结果如下:(1)利用质量偏心和静偏心与不平衡磁拉力和电磁转矩之间存在的非线性关系,本文通过能量法详细推到了系统分别在气隙动态偏心和气隙混合偏心两种偏心状态下不平衡磁拉力与电磁转矩的非线性解析表达式,同时建立了系统在以上两种不平衡磁拉力模型作用下的动力学模型和运动微分方程。(2)研究了系统在气隙动态偏心下的弯曲振动特性和弯扭耦合振动特性,分析了系统转速、质量偏心和电磁刚度对系统非线性振动特性的影响。分析结果表明:不考虑弯扭耦合运动时，电磁刚度的存在有利于系统在中低转速区域的稳定运行。在质量偏心的变化过程中,系统响应表现出倍周期运动与拟周期运动相间出现的规律,且随着质量偏心的增大,弯振幅值逐渐增大;考虑弯扭耦合运动后,系统出现了混沌运动,且主要出现在高转速区域内。(3)针对系统同时存在质量偏心和静偏心的情况,分析了系统在气隙混合偏心下的弯曲振动特性和弯扭耦合振动特性,分析了系统转速、质量偏心、静偏心距、静偏心角和电磁刚度对系统振动特性的影响。研究结果表明:静偏心大小与转子重力的夹角对系统的非线性振动特性存在一定的影响,当静偏心角与转子重力方向一致时,加剧转子振动,系统的安全稳定运行受到威胁,而随着静偏心与转子重力夹角的逐渐增大,这种加强作用被逐渐削弱,系统逐渐趋于稳定运行。(4)针对系统发生弯扭耦合运动的情况,分析了电磁刚度对系统非线性振动特性的影响,结果表明:弯曲电磁刚度对弯振幅值的影响较大,对扭振幅值几乎没有影响,而扭转电磁刚度对弯振幅值几乎没有影响,但对扭振幅值影响较大即使其幅值明显增加。而当两种电磁刚度同时存在时,弯扭耦合会变得更加强烈。综上所述,本文对转子-轴承系统在不平衡磁拉力作用下的非线性振动特性进行了分析,其研究结论可为旋转机械轴系的故障机理以及振动控制提供了一定的理论依据,并为其优化设计提供了一种新的参考。
【学位单位】：西安理工大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TH113.1
【部分图文】：

（a） （b）图 4-1 e=0.0125 mm 时（a）考虑电磁刚度（b）不考虑电磁刚度的转子分岔图Fig. 4-1 Bifurcation diagram of roto（ra）with electromagnetic stiffnes（sb）without electromagnetic stiffneat e=0.0125 mm（a） （b）图 4-2 e=0.025 mm 时（a）考虑电磁刚度（b）不考虑电磁刚度的转子分岔图

ω=1120 rad/s，系统发生拟周期运动的转速范围明显增大。（a） （b）图 4-1 e=0.0125 mm 时（a）考虑电磁刚度（b）不考虑电磁刚度的转子分岔图Fig. 4-1 Bifurcation diagram of roto（ra）with electromagnetic stiffnes（sb）without electromagnetic stiffneat e=0.0125 mm

第四章 动态偏心转子-轴承系统振动特性分析后系统由周期 2 运动分岔为周期 4 运动，表现在图 4-4 上为时域图中出现了两次“拍振”现象，轴心轨迹图由两个椭圆变为四个椭圆，Poincaré图上的吸引子由 2 个增加到 4 个，频谱图中出现了 1/4fr、1/2fr、3/4fr和 fr四种频谱成分，1/2fr倍频幅值大于其他频谱幅值。随着转速的进一步提高，系统在 ω=1170 rad/s 时过渡到拟周期运动，此时系统响应表现在图4-6 上为时域图变为波形，轴心轨迹图由椭圆变为圆环，轨迹半径较周期 4 运动与周期运动明显增大，Poincaré图上的吸引子由 4 个孤立的点变为一条封闭的曲线，频谱图中的1/4fr、1/2fr和 3/4fr消失，出现了 0.3~0.4 倍的低频成分，低频幅值增大明显远大于转频幅值占主导地位。

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本文编号：2816923