1、葉片轉子軸承耦合系統的非線性動力學特性    隨著近代旋轉機械的設計向高轉速、輕柔結構的趨勢發展,葉片和轉子的柔性在許多特定的情況下處于同一量級。高轉速的轉子系統常常處于超臨界運動狀態,低轉速時可以視為剛性的旋轉部件,高轉速時必須考慮為彈性部件參與耦合振動。因此,在研究高轉速轉子系統的動力學行為時,不能再將葉片和轉軸分開考慮,而是要建立更為精確的考慮葉片和轉軸耦合效應的動力學模型。另一方面,隨著旋轉機械機組容量的增大和設計參數的提高,非線性因素對系統動力學性能的影響也越來越顯著。軸承作為旋轉機械必不可少的結構之一,其中的油膜力是轉子系統重要的非線性激勵源

2、。而非線性油膜力引發的油膜渦動和油膜振蕩是轉子系統較常見的故障。因此有必要建立由葉片、轉子和軸承構成的耦合非線性動力學模型,并應用現代非線性動力學理論研究該系統的分岔、混沌等非線性動力學特性。本文針對航空發動機、燃氣輪機等大型旋轉機械設計制造中存在的問題,建立了葉片-轉子-軸承耦合系統的非線性動力學模型,利用該模型研究了葉片、轉子和軸承的耦合動力學特性,取得了一些創新性成果。具體的研究內容和成果有:采用Lagrange方程建立了葉片-轉子-軸承耦合系統的非線性動力學模型。利用集中質量法將轉子系統離散,為分析葉片對轉子的慣性效應并考慮系統的時變性,將葉片模化為單擺模型。為將模型簡化,首先,應用正

3、交變換將與轉子橫向運動發生耦合的葉片1-節徑運動和葉片其它節徑運動解耦,從而將耦合的非線性系統由8 + 2 n ( n3)個自由度降低至12個自由度,同時得到了2n-4個描述葉片k-節徑( k1)運動的相互獨立的線性微分方程。然后,利用周期變換將耦合時變微分方程轉化為常系數微分方程。在兩次變換后,獲得了一個含有12個自由度的常系數耦合非線性方程組和2n-4個相互獨立的線性微分方程。這個降維方法即保留了葉片和轉子之間的耦合效應,又降低了非線性微分方程組的維數,提高了耦合系統的求解效率,為高效準確地分析系統的非線性動力學特性奠定了基礎。當采用剛性轉子假設時,葉片-剛性轉子-軸承系統非線性動力學模型

4、的自由度數進一步降至4。利用短軸承非線性油膜力模型獲得非線性油膜力。對耦合模型的數值分析顯示了葉片-剛性轉子-軸承系統的動力學特性,與不考慮葉片振動的情況相比較,揭示了葉片振動對剛性轉子-軸承系統非線性動力學特性的影響。為分析柔性葉片、彈性轉子和軸承之間的耦合動力學特性,利用對稱轉子假設,分別建立了葉片-單盤轉子-軸承系統模型和葉片-雙盤轉子-軸承系統模型。由于轉子的對稱性,這兩個模型都忽略圓盤的偏轉運動和葉片的平面外運動,解耦后的模型中,系統的自由度數分別縮減至8和12。通過對模型的求解,著重分析了葉片振動和彈性轉子軸承系統之間的耦合效應。對于非對稱轉子,在建立葉片-轉子-軸承系統動力學模型

5、時,將陀螺力矩對轉子的影響考慮在內。此模型較全面的考察了轉子與葉片的耦合效應。通過求解12個自由度的耦合非線性系統,分析了葉片振動對轉子動特性的影響,并詳細討論了葉片剛度和長度等參數對轉子動力學行為的影響。為分析耦合系統中葉片的振動特性,將葉片k-節徑運動微分方程的解析解離散,結合耦合模型中葉片1-節徑運動的數值解,獲得了葉片的平面內和平面外運動的動態響應,揭示了耦合系統中葉片振動蘊含的非線性特性。對帶有外伸端結構的轉子,建立了葉片-懸臂轉子-擠壓油膜軸承系統的動力學模型。擠壓油膜阻尼器的油膜力采用Raynolds邊界條件下的短軸承假設的非線性油膜力模型。該模型含有兩個圓盤,其中一個圓盤位于兩

6、個軸承之間,另一個圓盤在轉子的外伸端上,而且在每個圓盤上都帶有若干彈性葉片。葉片-懸臂轉子-擠壓油膜軸承耦合系統解耦后共有24個自由度。通過對系統進行數值求解,分析了葉片振動對懸臂轉子動力學行為的影響。研究表明在分析此類系統的動力學特性時,必須考慮葉片、轉子和軸承之間的耦合效應。同主題文章1.    羅躍綱,張松鶴,劉曉東,聞邦椿. 含裂紋雙跨轉子-軸承系統周期運動的穩定性' J. 農業機械學報. 2007.(05)    2.    陳宏,張曉偉,李小彭,聞邦椿.

7、不對稱潤滑對碰摩轉子-軸承系統的動力學影響' J. 振動、測試與診斷. 2005.(01)    3.    陳宏,李鶴,張曉偉,聞邦椿. 雙盤懸臂裂紋轉子-軸承系統的動力學分析' J. 振動工程學報. 2005.(01)    4.    李振平,聞邦椿. 剛性轉子-軸承系統的復雜非線性動力學行為研究' J. 振動與沖擊. 2005.(03)    5. 

8、60;  王立剛,曹登慶,胡超,黃文虎. 葉片振動對轉子軸承系統動力學行為的影響' J. 哈爾濱工程大學學報. 2007.(03)    6.    冷淑香,崔穎,黃文虎,劉占生,夏松波. 線性與非線性油膜力模型下轉子振動穩定性對比研究' J. 汽輪機技術. 2003.(05)    7.    劉麗靜,王知人. 橫向磁場中條形板的分岔和混沌運動' J. 佳木斯大學學報(自然科學版). 200

9、9.(06)    8.    韓清凱,于濤,俞建成,聞邦椿. 單跨雙圓盤不平衡轉子-軸承系統的非線性動力學分析' J. 機械工程學報. 2004.(04)    9.    胡朋志,李同杰,孫啟國. 關于對流體激振及離心葉輪轉子分岔特性的研究' J. 蘭州交通大學學報. 2006.(03)    10.    焦映厚,李明章,陳照波. 不同油膜力模型下轉子-圓柱軸承系統的動力學分析' J. 哈爾濱工業大學學報. 2007.(01)&