不平衡-碰摩-不对中故障耦合作用下柔性转子-滚动轴承系统动力学分析与实验

研究柔性转子．滚动轴承系统在不平衡一碰摩．不对中故障耦合作用下的动力学响应．基于有限元与数值计算联合仿真方法,建立转子．滚动轴承系统的耦合故障柔性多体系统动力学控制模型．运用模态综合法建立柔性多体系统动力学模型,并自行编程建立非线性轴承力、碰摩力与不对中激振力模型．分析对比了系统在各种故障耦合作用下的振动特征图．结果表明,不对中故障对转子系统的整体振动影响较明显,不对中故障较严重时,整个系统振动形式更加复杂,并且仿真分析结果与实验结果能够较好的吻合,因此该方法可有效研究转子一轴承系统的不平衡一碰摩一不对中耦合故障特征．     

张力弦-永磁动力吸振器理论及试验研究

为了实现转子系统振动抑制,设计了一种适用于旋转机械的张力弦-永磁刚度动力吸振器.利用张力弦结构的拉力-刚度可调特性,实现吸振器的频率可调;又引入永久磁铁构成的刚度机构,使得吸振器整体结构与转子系统相互分离.对转子-动力吸振器系统进行动力学建模和仿真分析,研究了吸振器的工作特性,又进行试验研究证明理论研究的正确性.研究结果表明,该吸振器可以达到转子系统振动抑制的效果,在永磁刚度机构磁铁间距小时吸振器效果好且更加稳定.     

电磁动力吸振器式转子在线监测方法研究

电磁动力吸振器具有重大的工程应用价值。在给出转子＋电磁动力吸振器系统模型的基础上，采用输出调节器理论，设计了电磁动力吸振器控制系统，实现了控制系统的主要目标：在指定的多个频率位置，将转子的不平衡响应减为零，而在其余较宽的频率范围内，抑制了不平衡响应的水平，使之处于非共振量级。因此，用电磁动力吸振器可实现对转子振动的在线控制。在此基础上，因为在电磁动力吸振器控制系统的设计中，构造了反映不平衡力的状态量及其观测器，所以还可以利用状态观测器获得转子的不平衡信息，买现不平衡量的识别，从而给出了用电磁动力吸振器进行不平街识别的方法。该方法的提出，有益于在线监测转子的不平衡状态、及时诊断故障以及无试转的平衡。     

转子系统不对中-碰摩耦合故障的动力学特性

针对由于轴承不对中而引起不对中-碰摩耦合故障的转子-轴承系统,建立了双盘不对中-碰摩耦合故障转子系统力学模型和有限元模型.基于非线性有限元方法,使用等效不对中力矩及接触理论研究了不同转速对系统动力学特性的影响.研究结果表明,不对中-碰摩耦合故障常常以碰摩故障特征为主,并且二倍频出现较早及其峰值会急速增大.进一步运用小波基函数对故障信号进行等宽频带的划分,通过对故障转子系统频域响应中二倍频峰值变化趋势的分析研究发现,可将二倍频比例值作为含有不对中故障转子系统故障严重程度的一个判断依据.     

空间航天器用动力吸振器设计与试验验证

为了抑制空间航天器的振动,提出一种空间结构紧凑且阻尼力可非接触产生的动力吸振器设计方案.首先,建立动力吸振器的减振效果评价分析模型;其次,对吸振器进行有限元分析和力锤敲击试验,以验证吸振器基频设计的合理性;最后,以等效悬臂梁板结构为对象,将电磁激励器与动力吸振器分别置于悬臂梁板不同位置,对吸振器进行减振效果测试.试验结果表明:吸振器测试基频29.38 Hz与目标基频30.00 Hz误差不超过2.06%;针对悬臂梁板一阶频率的振动,有电涡流阻尼吸振器相比于无电涡流阻尼吸振器,其减振效果有所下降,但减振带宽由28.80~30.97 Hz扩展至29.09~35.53 Hz,带宽扩大67.5%;针对悬臂梁板二阶频率的振动,无电涡流阻尼吸振器没有抑制作用,而有电涡流阻尼吸振器有抑制作用且对二阶共振峰最大抑制达到了37.3%.     

非光滑NES在转子-叶片系统振动抑制中的应用

用非光滑非线性能量阱(non-smooth nonlinear energy sink，NSNES)抑制转子-叶片系统的振动，NSNES结构采用分段线性刚度梁形式.首先介绍了NSNES的结构和工作原理，然后利用拉格朗日方程建立转子-叶片-NSNES系统的动力学模型，最后采用数值法分析了该耦合系统处于稳态共振时，NSNES对转子振动和叶片振动的抑制能力.在给定参数下，附加于叶片尖部的NSNES在抑制转子振动时，抑振率可达到68%；在抑制叶片振动时，抑振率可达到62%.文中还将该NSNES的抑振能力与具有相同质量线性动力吸振器(linear dynamic vibration absorber， LDVA)的抑振能力进行了对比.     

四跨转子应用调谐质量吸振器抑制临界转速振动实验研究

为解决多跨串联转子在升速降速过程中经过转子的临界转速区域会产生严重振动的问题,设计了一种新型质量调谐吸振器,搭建了四跨转子实验台并进行了实验研究。根据转速信号对四跨转子轴系进行有开关控制吸振器的振动控制研究,在转子过临界时吸合相应转子上吸振器的电磁铁,使吸振器的固有频率与转子临界转速对应的频率一致。结果表明,新型调谐质量吸振器能够有效抑制四跨转子过临界时的振动,同时避免了由吸振器产生的新共振对转子的影响,使四跨转子轴系在全转速范围内保持较低的振动幅值。     

ISFD抑制转子不对中故障研究

针对旋转机械常见的转子不对中故障,设计了一种弹性阻尼支承—整体式挤压油膜阻尼器（ISFD）,研究ISFD弹性阻尼支承对转子不对中故障的振动抑制效果。运用有限元方法分析转子不对中力学模型,搭建单跨双支承转子实验台,模拟转子不对中故障,并对ISFD弹性阻尼支承的减振特性进行实验研究。实验结果表明：不对中故障导致转子振动增大,ISFD弹性阻尼支承可以有效减小振动,转子一倍频的降幅达到90.0%,二倍频的降幅达到97.5%。     

转子-齿式联轴器-轴承系统不对中动力学特性

在齿式联轴器不对中啮合力模型基础上,基于有限元分析建立了齿式联轴器不对中转子-轴承系统动力学方程,通过数值仿真和试验测试研究了联轴器不对中对转子-轴承系统动力学特性和稳定性的影响规律.结果表明:虽然齿式联轴器具有一定的不对中补偿能力,但不对中仍会导致其连接转子系统的倍频振动,且倍频振幅随着不对中量的增加而增加.在转子-齿式联轴器-轴承系统不对中量增加过程中,油膜振荡和齿式联轴器自激振荡交替或耦合影响系统的稳定性.因此,不对中转子-联轴器-轴承系统的振动比较复杂,蕴含着丰富的非线性振动现象,在研究时应充分考虑啮合力和油膜力的耦合效应.     

转子--电磁动力吸振器系统的非线性控制

用电磁动力吸振器可实现对转子振动的在线控制。但是，当系统受到外部激励时，系统可能处于大幅度运动状态，致使转子与吸振器相接触而失控，因而对这类系统采用非线性控制便显得十分必要。在对转子-电磁动力吸振器实行线性控制的基础上，采用非线性补偿控制。数字仿真结果表明，非线性补偿控制可使转子-电磁动力吸振器达到更好的控制效果。     

BNES对转子系统扭转振动抑制的理论和试验研究

为了抑制转子系统的扭转振动，提出了一种双稳态非线性能量阱(bi-stable nonlinear energy sink, BNES).首先介绍了BNES的结构和工作原理，在此基础上建立了转子-BNES耦合系统的动力学方程.然后利用数值计算方法，对BNES在瞬态和稳态激励下的振动抑制能力进行了研究，并与相同转动惯量的线性动力吸振器(linear dynamic vibration absorber, LDVA)进行了对比.最后，搭建测试平台，试验验证了BNES对转子系统扭转振动抑制的能力.研究结果表明，该BNES对转子系统的瞬态响应以及稳态响应具有良好的振动抑制效果；在给定的参数下，BNES的振动抑制能力优于LDVA.     

GNES和LDVA在转子系统振动抑制中的性能比较

为了抑制各向异性转子系统的横向振动,设计了一种接地式非线性能量阱(grounded nonlinear energy sink, GNES)和一种线性吸振器(linear dynamic vibration absorber, LDVA).首先介绍了GNES的结构、工作原理及一些固有特性;然后分别建立GNES和LDVA与转子系统组成的耦合系统的动力学模型;最后,采用数值法分析了两种吸振装置的抑振效果.结果表明,在给定参数下,GNES的抑振性能优于LDVA.     

无级调频吸振装置的减振研究

为解决工业厂房楼板高频设备振动问题,提出一种无级调频吸振装置,对吸振装置无级调频工作原理进行了理论推导,并对该装置的吸振效果进行了试验验证,试验结果表明,在按需设定频率下,采用吸振器控制时结构楼板所对应频率的加速度大幅减小,装置减振率可达到56%以上,且水平距离越接近激励源中心处的测点,楼面的减振效果越好。无级调频吸振装置具有良好的减振控制效果,为解决高频设备导致厂房楼板竖向振动难题提供了高效减振方案。     

可控环形动力吸振器抑制管道强迫振动的研究

针对压缩机等旋转机械连接的管道系统的强迫振动,在动力吸振器减振原理的基础上,提出采用可控环形动力吸振器进行振动控制。针对某管系设计了具有相同自振频率的多个离散分布式环形动力吸振器,并建立动力吸振器-管道有限元模型进行模拟仿真同时搭建相应实验台进行验证。为了克服加动力吸振器调谐后引起的两个共振峰,设计了可控型环形动力吸振器控制管道强迫振动。模拟仿真与实验的结果表明,通过这种具有相同自振频率的多个离散分布式可控环形动力吸振器不仅能更好地适应大型管道中出现多处大振幅振动的空间条件,而且具有更稳定的吸振效果和更宽的吸振频带;高达20 Hz的带宽可有效抑制管道强迫振动,解决了单个和多重动力吸振器的失谐问题。     

双转子航空发动机高速动平衡技术试验研究

带中介轴承的航空发动机双转子系统极易发生振动耦合共振现象从而导致振动超限,单独平衡高压、低压转子的减振效果则因振动耦合共振的影响非常有限.本文针对双转子系统的结构特点,提出了一种动平衡方法—双转子振动耦合共振平衡法,完成了模拟双转子系统的高速动平衡试验,平衡效果良好,解决了双转子系统在多种工况下的振动超限问题,发展了转子高速动平衡技术.     

分数阶时滞动力吸振器对主系统振动影响

为了研究分数阶时滞动力吸振器对主系统振动的影响,仿照整数阶导数的时滞动力吸振器的设计原理,提出了一种分数阶导数的时滞动力吸振器吸振理论。通过对高哲法的逆向推导,研究分数阶时滞动力吸振器的固有频率与反馈增益关系的确定方法,该方法可以在频率变化的情况下,允许分数阶时滞动力吸振器的固有频率实时跟踪外激励频率而变化。研究发现在保证主系统和动力吸振器稳定的情况下,在一定时滞范围内,通过增加动力吸振器的时滞量可以减小主系统的振动幅值。通过数据仿真分析证明了这种新方法确实可行,吸振器减振效果明显,振动源在加入新型动力吸振器后振动减少了99%左右,几乎将振动完全吸收;在被动型动力吸振器吸振效果降低时,新型的动力吸振器仍然能达到83%的吸振效果。     

全速度区间内车体多重被动式吸振器减振方法

为了降低轨道车辆车体垂向振动,建立包含多重被动式吸振器的轨道车辆垂向振动模型,讨论一重被动式吸振器对轨道车辆车体的减振效果,指出一重被动式吸振器的局限性,进一步提出多重被动式吸振器的优化算法,明确多重动力吸振器的重数和目标频率的选取,从而提出适用于城市轨道车辆在全速度区间内车体多重被动式吸振器的减振方法,最后分析多重被动式吸振器能够实现全速度减振的原因,并验证该方法的有效性。研究结果表明:多重被动式吸振器能够实现全速度减振的关键在于吸振器重数和目标频率的选取,其中,吸振器重数要选取三重以上;目标频率的选取要包含最小峰值频率和最大峰值频率,并兼顾典型频率,使其发挥共同协调作用。多重被动式吸振器在全速度区间内都能减振的原因是多个固有频率不同的动力吸振器能够针对不同振动频率点进行减振,从而拓宽了动力吸振器的吸振频带。     

透平机械转子系统不对中故障定量诊断监测方法研究

针对透平机械转子系统不对中故障程度难以定量诊断的问题,提出一种基于转子的状态监测数据建立转子平行不对中量与节点振动通频幅值的关系曲线来定量诊断转子平行不对中故障的方法。对平行不对中状态下的转子进行受力分析得到转子不对中激励力,通过建立的转子试验台有限元数值分析模型计算得到不同不对中激励力下的转子节点振动通频幅值,进而通过分析转子节点振动通频幅值与不对中量的对应关系曲线及转子运行正常数据对关系曲线进行修正;根据监测得到的转子节点振动通频幅值反推出转子平行不对中量,达到对平行不对中故障定量诊断的目的。最后试验验证了定量诊断方法的可行性。     

稳态温度场对转子系统振动特性的影响

热弯曲是工程实际中常见的转子故障.采用有限元法,利用热-结构-动力学耦合理论,探讨了稳态温度场对某汽轮机转子系统的振动特性的影响.对比研究了不平衡响应、热弯曲响应以及不平衡和热弯曲耦合响应,讨论了稳态温度场、转子系统的工作转速等因素对转子-轴承系统热振动特性的影响,找出了影响其热振动特性的敏感参数.结果表明,由于热弯曲的产生,转子系统的刚度重新分布,导致了其热振动的一阶临界转速显著降低,同时改变了振动的平衡位置,使转子系统围绕新的平衡位置做周期性运动.计算结果为转子-轴承系统的设计和热弯曲故障诊断提供了理论依据.     

固定式刚性联轴器不对中弯扭耦合振动特性

以水轮发电机组固定式刚性联轴器平行不对中故障为研究对象,从动力学角度推导不对中机理,建立平行不对中弯扭耦合振动微分方程.基于该微分方程,理论上分析了弯振、扭振之间的相互影响;从转速、质量偏心、不对中量和阻尼系数等几方面进行弯扭耦合振动数值仿真.仿真计算表明:弯振与扭振通过固结于转子的偏心质量相互耦合;弯振主要包含工频成分,不对中越严重,工频所占比例越大.扭振包括极大的直流分量和少量倍频成分,过大的直流分量对机组安全不利.