【摘要】：球軸承作為旋轉機械的重要支承構件,因其轉速高、體積小和安裝方便等特點在工業(yè)領域中有廣泛的應用,如航空發(fā)動機、鐵路貨車和風力發(fā)電機等。在球軸承的應用初期,人們并未重視其引發(fā)的振動問題,原因是旋轉機械的運行參數(shù)不高,系統(tǒng)具有足夠的安全裕度,不致于產(chǎn)生振動過大或者失穩(wěn)問題。隨著科技水平的不斷提高以及人類生活需求的不斷增長,旋轉機械正向著高速自動化方向發(fā)展,其結構越發(fā)復雜,工作環(huán)境也越發(fā)嚴苛。球軸承誘發(fā)的非線性振動問題不斷突顯,給傳統(tǒng)線性理論帶來了巨大的挑戰(zhàn),如航空發(fā)動機轉子的突跳振動和雙穩(wěn)態(tài)現(xiàn)象;高速機床主軸的失穩(wěn)分岔行為;風機齒輪箱軸承的混沌振動現(xiàn)象等。理解并控制這些復雜的動力學行為需要基于系統(tǒng)本質動力學機理的研究。為此,本文的研究工作從以下幾個方面進行展開:考慮球軸承的兩種本質非線性因素:軸承間隙非線性和赫茲接觸非線性,建立球軸承-懸臂式轉子系統(tǒng)的單自由度簡化動力學模型,采用平均法求得系統(tǒng)主共振情況下的解析解,探討骨架曲線的幾個重要性質:極限值、光滑性、不動點和誤差,發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)主共振時骨架曲線(等效線性固有頻率)在軸承間隙處是光滑可導的,而且隨著振幅的逐漸增大,系統(tǒng)等效固有頻率也逐漸增大。由于赫茲接觸(1.5次非線性)的影響,骨架曲線隨著系統(tǒng)振幅的增大而“上翹”,這是赫茲接觸系統(tǒng)有別于三次非線性Duffing系統(tǒng)的重要標志。在此基礎上,計算得到不同參數(shù)下系統(tǒng)的共振曲線,分析了軸承剛度、軸承間隙、系統(tǒng)阻尼和輪盤偏心距對系統(tǒng)共振曲線的影響規(guī)律。利用奇異性理論分析共振解的分岔行為,發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)參數(shù)平面內(nèi)存在五種不同的分岔模式,其中有些分岔模式存在振動過大、振幅突跳等影響轉子系統(tǒng)穩(wěn)定運行的有害因素,工程中應加以避免通過對兩自由度(水平和豎直方向相耦合)動力學模型的數(shù)值仿真驗證了單自由度簡化分析模型的合理性,并證實了平均法求解的有效性,進而為該類轉子系統(tǒng)的振動控制提供了理論依據(jù)�？紤]球軸承的非線性支承力和聯(lián)軸器不對中的影響,建立含套齒聯(lián)軸器的偏盤轉子系統(tǒng)動力學模型,研究系統(tǒng)在轉子不平衡激勵和聯(lián)軸器不對中激勵共同作用下的非線性響應特性。針對具有分段和分數(shù)指數(shù)強非線性特性的動力學方程,采用諧波平衡法-時頻域轉換技術(HB-AFT)求得系統(tǒng)的周期解,并與數(shù)值積分結果進行對比,證明HB-AFT方法的有效性。在此基礎上,利用Floquet理論分析所求周期解的穩(wěn)定性,給出轉子系統(tǒng)運行的失穩(wěn)轉速區(qū)間,揭示周期運動的分岔機理,發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)中存在倍周期分岔、鞍結分岔和二次Hopf分岔的多種分岔模式。結合弧長延拓方法分析轉子系統(tǒng)的超諧波共振特性,在低速區(qū)發(fā)現(xiàn)若干超諧波共振區(qū)域,其中第三次超諧波共振較為明顯。在高速區(qū)發(fā)現(xiàn)二次超諧波共振,共振曲線具有明顯的硬彈簧特征且上翹,共振峰值較大,容易發(fā)生劇烈的振動突跳行為,給轉子系統(tǒng)造成沖擊和損害,必須加以控制。探討軸承間隙、軸承阻尼、不對中和外加載力(定常載荷)對超諧波共振曲線的影響規(guī)律,為控制策略的制定提供了一定的參考依據(jù)。以Duffing系統(tǒng)為例,闡述定常載荷的作用機理,說明硬彈簧系統(tǒng)中出現(xiàn)軟特性共振曲線的根本原因�？紤]球軸承的間隙、赫茲接觸和變剛度效應,建立四支點含中介軸承的雙轉子系統(tǒng)動力學模型。通過數(shù)值積分方法獲得系統(tǒng)的非線性動力學響應,研究球軸承變剛度振動特性,發(fā)現(xiàn)內(nèi)轉子響應頻率以其支撐軸承變剛度頻率為主,而外轉子響應頻率中各軸承變剛度頻率成分都很明顯,這緣于內(nèi)外轉子支撐形式的不同。研究轉子不平衡振動特性,發(fā)現(xiàn)內(nèi)外轉子經(jīng)過各自為主激勵的二階臨界轉速后分別發(fā)生自動定心現(xiàn)象。分析雙轉子轉速比、軸承間隙以及不對中故障對系統(tǒng)振動特性的影響,發(fā)現(xiàn)轉速比對雙轉子系統(tǒng)臨界轉速有很大影響;軸承間隙的增大會誘發(fā)轉子振動的“弱混沌”現(xiàn)象,且軸承間隙越大,混沌吸引子尺寸也越大;不對中故障使得系統(tǒng)響應頻率中二倍頻成分突高,容易發(fā)生二倍超諧共振,轉子軸心軌跡呈現(xiàn)“香蕉”形。分析結果對雙轉子系統(tǒng)動力學優(yōu)化設計具有一定的參考價值。設計不對中多盤轉子-球軸承系統(tǒng)實驗臺,在不同工況下測試不對中故障轉子系統(tǒng)的響應信號,并且考慮支承處球軸承的非線性因素,通過有限元方法建立實際轉子系統(tǒng)的離散化動力學模型,利用數(shù)值積分方法獲得系統(tǒng)的動力學響應,并與實驗結果進行對比,二者表現(xiàn)出很好的一致性。
【學位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2017
【分類號】：TH133.3;O322
【圖文】：

1.1 課題背景及研究的目的和意義近年來，航空發(fā)動機、汽輪機、壓縮機、風力發(fā)電機等旋轉機械廣泛應用于國防、能源、交通、化工等國民經(jīng)濟生產(chǎn)的重要領域并發(fā)揮著關鍵的作用。軸承-轉子系統(tǒng)作為旋轉機械的核心部件，其工作運行狀態(tài)對整個旋轉機械的安全可靠性有重要影響。隨著制造水平的不斷提高，旋轉機械結構越發(fā)復雜，而它們的工作環(huán)境也變得越發(fā)惡劣，這給旋轉機械的安全穩(wěn)定運行帶來了巨大的挑戰(zhàn)[1,2]。如某型航空發(fā)動機近渦輪端主軸軸承的抱軸卡死故障嚴重危害了飛機的飛行安全；某型國產(chǎn)渦噴發(fā)動機曾多次出現(xiàn)渦輪軸后錐段疲勞斷裂，造成了機毀人亡的重大事故；高蒸汽參數(shù)汽輪機發(fā)生的油膜振蕩和汽流激振現(xiàn)象導致了頻繁的跳機事故，浪費了大量的人力物力，造成了巨大的經(jīng)濟損失。一次次事故的經(jīng)驗教訓使得人們對軸承-轉子系統(tǒng)的認識不斷深入，促進了人們對其動力學行為和故障機理的科學研究。圖 1-1 為某型雙轉子航空渦扇發(fā)動機的剖視圖。

和混沌運動現(xiàn)象等。Childs[12]利用參激振動理稱軸承間隙對轉子運動的影響規(guī)律，揭示了轉to[13]在考慮軸承間隙和赫茲接觸非線性因素的近似表達式，利用增量諧波平衡法計算了球非線性不平衡響應，研究了不同速度區(qū)間上轉在水平與豎直方向上存在兩種不同的非線性特和豎直方向上的軟彈簧特性。Kim 和 Noah[14剛度的兩自由度 Jeffcott 轉子的動力學模型，的周期響應和類周期響應，結合 Floquet 理論，同時指出倍周期分岔和二次 Hopf 分岔是系iwari 和 Gupta[16,17]研究了球軸承支承的平衡、范圍內(nèi)的動力學響應特性，發(fā)現(xiàn)了系統(tǒng)通向混突出強調了軸承間隙對系統(tǒng)動力學行為的重要結果表明軸承間隙的增大使得轉子運動的失穩(wěn)不規(guī)則非周期運動。圖 1-2 給出了球軸承的模

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1 李洪亮;球軸承—不對中轉子系統(tǒng)的非線性振動特性研究[D];哈爾濱工業(yè)大學;2017年

本文編號：2730416