非线性轴承—连续体转子系统的动力学特性研究

发布时间：2017-06-15 13:08

  本文关键词：非线性轴承—连续体转子系统的动力学特性研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：转子动力学是对高速旋转的机械的动力学特性进行研究分析的一门近代力学分支的学科,有着强大的工程应用背景。随着生产和科学技术的发展,旋转机械向高速、重载、轻型化和自动化方向发展,一些重大的旋转机械在生产中的作用显得十分突出,同时运转中出现的故障也越来越引起人们的关注。在转子动力学的研究中,计算和分析占有很重要的地位。无论是讨论转子的动力学特性,还是设计转子系统,解决旋转机械的相关工程问题等,都离不开计算分析工作。本文的研究意义在于,验证多种转子模型的建模方法的准确性并进行理论分析,考虑多方面稳定性影响因素并对转子系统不同参数条件下的振动特征对比分析,为旋转机械的设计优化、提高可靠性和效率、减振延寿等方面提供理论基础和技术支持。在已知的转子-滑动轴承系统的故障中,油膜失稳是较为常见的一种机械故障,其特点是具有易突发性和破坏性。转子系统若只在定转频的不平衡力作用下,将呈现显著的周期性。发生油膜失稳将在此基础上产生较大的低频谐波振动,破坏原始周期运动并产生非协调进动,使转轴产生较大的交变应力,造成转子的剧烈振动,从而诱发其它故障,直接关系到机组的安全防治和可靠运行。因而研究非线性轴承-转子系统的失稳规律及复杂的非线性动力学特性,对于改进及提高旋转机械的运动稳定性具有非常重要的意义。本文首先建立了基于简支Timoshenko梁单元理论的连续转子系统解析模型的数学表达式,得到整体动力学方程；基于Timoshenko梁单元理论建立转子系统有限元模型,通过矩阵组集形成整体动力学方程；通过ANSYS软件模拟仿真Timoshenko梁单元的转子有限元模型。然后运用数值求解方法,分析了旋转态下转子系统的固有特性,验证解析模型的准确性并讨论了陀螺效应对系统各阶固有频率的影响。其次,将转子模型由两端简支换作两端弹支。在无外激力条件下绘制坎贝尔图；考虑转盘质量偏心引起的不平衡力,利用NewMark-β法求解系统响应,通过谐响应曲线与坎贝尔图相互验证准确性。对比分析不同转盘偏置位置条件下,转轴上不同节点的幅值特点；对比分析不同转动惯量对系统进动特征和临界转速的影响,为后续模型改进提供理论依据。最后,本文用非线性油膜力代替两端弹性支承,建立单盘转子-滑动轴承解析模型。以单盘转子-轴承系统为研究对象,主要研究方向为滑动轴承支承下的转子系统在高速旋转中容易出现的油膜失稳等问题。通过轴心轨迹图、时域响应图、Poincare截面图、三维频谱图和分岔图,来分析不同工况下转子系统的失稳规律及其非线性特征。对比分析不同油膜厚度、偏心半径和陀螺效应的大小对系统运动特征和非线性规律的影响。
【关键词】：连续体 转子系统 固有特性 非线性 油膜振荡
【学位授予单位】：东北大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TH113;TH133
【目录】：

• 摘要6-8
• Abstract8-13
• 第1章 绪论13-20
• 1.1 本文的研究背景及意义13-14
• 1.2 国内外的研究现状14-19
• 1.2.1 转子动力学模型的研究与发展现状14-16
• 1.2.2 转子系统中的非线性油膜力16-17
• 1.2.3 转子系统油膜失稳的研究现状17-19
• 1.3 本文主要的研究内容19-20
• 第2章 转子动力学特性分析的基本理论20-30
• 2.1 概述20-21
• 2.2 动力学特性分析的基本理论21-27
• 2.2.1 连续转子系统的离散化方法21-22
• 2.2.2 陀螺力矩及陀螺效应22-25
• 2.2.3 振动问题的拉格朗日法25-27
• 2.3 本文应用的数值解法27-29
• 2.3.1 数值解法的特点27-28
• 2.3.2 NewMark-β法28-29
• 2.4 本章小结29-30
• 第3章 基于简支梁的转子动力学分析30-49
• 3.1 基于连续型解析模型的动频率分析30-41
• 3.1.1 基于简支梁理论解析模型的建立30-35
• 3.1.2 简支梁弯曲振动的模态函数35-36
• 3.1.3 能量方程的离散求解36-41
• 3.2 基于有限元模型的动频率分析41-46
• 3.2.1 基于简支梁理论的有限元模型的建立41-43
• 3.2.2 简支梁弯曲振动的单元矩阵推导43-45
• 3.2.3 简支梁弯曲振动的固有频率求解45-46
• 3.3 基于简支梁的转子系统的动频数值算例46-47
• 3.3.1 三种建模方式模型的静动频率计算结果46-47
• 3.4 本章小结47-49
• 第4章 弹性支承连续梁的动频率分析49-62
• 4.1 弹性支撑梁的解析模型的动频率分析49-54
• 4.1.1 弹性支撑梁的解析模型建立49
• 4.1.2 自由梁弯曲振动的模态函数49-50
• 4.1.3 运动方程的离散求解50-54
• 4.2 线性激振力下的响应特性分析54-56
• 4.3 不同的转盘位置对系统稳定性的影响56-57
• 4.4 不同转动惯量对转子系统临界转速的影响57-60
• 4.5 本章小结60-62
• 第5章 转子-滑动轴承系统的非线性动力学特性研究62-81
• 5.1 概述62
• 5.2 转子-滑动轴承系统的动力学模型62-67
• 5.2.1 非线性油膜力的解析模型62-65
• 5.2.2 非线性油膜力系统的动力学模型65-67
• 5.3 数值算例67-79
• 5.3.1 油膜失稳的动力学特性67-73
• 5.3.2 不同油膜厚度下系统的动力学特性73-75
• 5.3.3 不同偏心量下系统的动力学特性75-76
• 5.3.4 陀螺效应对系统动力学特性的影响76-79
• 5.4 本章小结79-81
• 第6章 结论与展望81-84
• 6.1 主要结论81-82
• 6.2 研究展望82-84
• 参考文献84-90
• 附录90-92
• 致谢92

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