主动控制压电旋转悬臂梁的参数振动稳定性分析

在工程实际中旋转机械由于制造和加工误差,装配的不均匀性等原因,往往会脉动运行,这将使得机械系统发生参数振动.当脉动参数满足一定关系时,这种参数振动将会失稳,进而影响机械结构的正常运转.本文针对这一问题,引入压电材料对脉动旋转悬臂梁系统的振动进行控制,研究主动控制悬臂梁系统的参数振动优化设计问题,采用Hamilton变分原理与一阶Galerkin离散相结合的方法,建立了受速度反馈传感器主动控制的压电旋转悬臂梁的一阶近似线性控制方程.运用多尺度方法,得到了压电旋转悬臂梁系统在发生1/2亚谐波参数共振时稳定性边界的控制方程,并利用直接分析方法验证了解析摄动解的正确性.将摄动解中临界阻尼比和轮毂角速度脉动幅值的无量纲参数作为评价系统稳定性能的指标.通过数值算例,分析了轮毂半径、轮毂角速度平均值和脉动幅值、梁长以及速度传感器的反馈增益系数对系统稳定性区域的影响.研究结果表明,梁长、轮毂半径、脉动幅值会降低系统稳定性,反馈增益系数可以提高系统稳定性,而轮毂角速度平均值与系统稳定性之间有非单调的关系.为进一步设计压电旋转机械结构提供了理论依据.     

主动控制压电旋转悬臂梁的参数振动稳定性分析

在工程实际中旋转机械由于制造和加工误差,装配的不均匀性等原因,往往会脉动运行,这将使得机械系统发生参数振动. 当脉动参数满足一定关系时,这种参数振动将会失稳,进而影响机械结构的正常运转. 本文针对这一问题,引入压电材料对 脉动旋转悬臂梁系统的振动进行控制,研究主动控制悬臂梁系统的参数振动优化设计问题,采用 Hamilton 变分原理与一阶 Galerkin 离散相结合的方法,建立了受速度反馈传感器主动控制的压电旋转悬臂梁的一阶近似线性控制方程. 运用多尺度方法,得到了压电旋转悬臂梁系统在发生1/2亚谐波参数共振时稳定性边界的控制方程,并利用直接分析方法验证了解析摄动解的正确性. 将摄动解中临界阻尼比和轮毂角速度脉动幅值的无量纲参数作为评价系统稳定性能的指标. 通过数值算例,分析了轮毂半径、轮毂角速度平均值和脉动幅值、梁长以及速度传感器的反馈增益系数对系统稳定性区域的影响. 研究结果表明,梁长、轮毂半径、脉动幅值会降低系统稳定性,反馈增益系数可以提高系统稳定性,而轮毂角速度平均值与系统稳定性之间有非单调的关系. 为进一步设计压电旋转机械结构提供了理论依据.      

静电悬浮转子微陀螺再平衡回路设计

给出了一种基于MEMS技术的静电悬浮转子微陀螺,可同时测量两轴角速度和三轴线加速度,采用力平衡原理测量壳体输入的角速度,即对转子实行闭环控制使转子保持在零位,输出控制电压反映壳体输入角速度的大小。在分析转子所受力矩的基础上,建立了转子的力矩平衡方程。当陀螺工作在理想状态下,提出了两种再平衡回路设计,即只采用校正环节和采用解耦网络的自平衡回路设计。通过系统仿真表明了采用解耦网络设计的再平衡回路的优越性。当壳体输入阶跃角速度时,解耦控制具有响应速度快、超调小、动态性能好等优点。最后给出了采用积分电路和加法运算电路实现解耦控制的电路实现方案。     

受电磁激励的连续转子-轴承系统非线性振动与分岔

研究了受横向不平衡电磁激励的转子．轴承系统的非线性振动响应。首先将转子．轴承系统简化为带有质量不平衡并受横向激励的连续梁,由于短轴承的油膜力和电磁力的共同激励,系统振动具有强非线性特性。用Galerkin方法把偏微分控制方程离散为常微分方程组,采用四阶Runge—Kutta法对该系统进行数值仿真研究。其次比较了转轴分别在电磁力、油膜力单独作用和两种力共同作用下的振动特性,研究表明电磁力和油膜力对转子系统的非线性振动和分岔有着不同的贡献：油膜力的存在抑制了拟周期运动的发生,延长了稳定运行区域;电磁力拉长了拟周期发生的区域,降低了转子系统发生突发性破坏的风险。最后给出了系统响应随转速、电磁参数、油膜粘度等控制参数变化的分岔图,表明：系统在两个方向的运动随控制参数的变化趋势基本相同,经历了周期、倍周期、拟周期等非线性运动交替出现的过程;且油膜粘度的增大有利于转子系统的安全运行。     

可控挤压油膜轴承主动控制转子系统振动

本文提出了“可控挤压油膜轴承”,以主动控制转子系统的振动,设计了不同的可控挤压油膜油承方案,借稳态不平衡响应构成的二次目标函数,分析比较了它们的振动控制效果,根据这一研究,可初步得到如下结论:对于航空发动机,可控挤压油膜轴承极有希望成为一种更有效的振动控制方法。     

汽轮机转子在气流力和油膜力作用下的非线性动力学特性

为了分析转子在油膜力和气流激振力共同作用下的非线性振动特性，本文以短轴承支撑的不平衡刚性对称Jeffcott转子系统为研究对象，首先分析转子在非稳态油膜力作用下的振动特性，然后分析转子在油膜力和气流激振力共同作用下的非线性振动特性。采用数值模拟的方法研究了系统的分岔和混沌特性，计算结果表明，考虑气流激振力和油膜力共同作用下的转子系统与仅考虑油膜力的转子系统相比，在相对进气速度v=30m／s时，随着无量纲转速ω的增加。二者都出现了周期运动和混沌运动多次交替出现的复杂运动特性，但是前者首次出现倍周期分岔和混沌运动时的转运提前，在定转速情况下，随着v的增大，系统最终在经历周期运动之后进入混沌运动，而且圆盘中心的最大振幅随着v的增大而增大。     

陀螺效应对转子横向振动的影响分析

举例说明了在动力转子系统中陀螺效应对实际模型的影响。着重分析了转子陀螺效应对进动角速度、振型以及临界角速度的影响。并应用状态空间法求解陀螺系统的本征值问题。数值结果表明，在一些工程问题中，陀螺力对于转子系统振动特性的影响是不能忽略的。     

转子系统振动的CSFDB主动控制实验研究

采用可控挤压油膜阻尼器作为主控元件,进行转子系统振动主动控制研究,设计开发了锥形可控挤压油膜阻尼器（Controllable Squeeze Film Damping Bearing,CSFDB).CSFDB的外环轴向位置通过专门设计的电液伺服系统来调节其平淡同的轴向位置对应不同的油膜间隙,使转子系统、CSFDB、电液伺 服系统形成一个闭环控制系统,即主动控制转子系统的振动,本文的实验研究工作内容有,CSFDB-转子系统振动特性实验研究;CSFDB-转子系统加、减速振动特性试验研究;转子系统振动的CSFDB主动控制实验研究。转子模型为一单盘悬臂转子,研究结果表明,CSFDB控制效果明显,所研制的控制仪工作可靠,能满足实时必研究;CSFDB外环位置调节系统设计思路可行,性能可靠避孕药推广应用前景。     

叶片振动影响下双盘转子-轴承系统的稳定性与分岔

研究叶片与转子-轴承系统的耦合非线性振动,建立了一个带叶片的双盘转子-轴承系统的非线性动力学模型,其中包含一个弹性转轴、两个滑动轴承、两个刚性圆盘和两组弹性叶片.为了分析叶片的惯性影响,将其简化为单摆模型.采用4阶Runge-Kutta法进行了数值模拟,并利用分岔图、三维谱图、轴心轨迹和Poincaré映射图等方法分析了系统的非线性动力学特性.研究发现,随着转速的变化,系统响应演化出了倍周期运动、概周期运动、混沌运动和倍周期分岔等典型的非线性动力学行为.在与忽略了叶片振动的转子系统对比后发现,叶片振动使转子发生混沌运动的转速区域增大.在某些参数条件下,采用不同的叶片刚度,叶片振动可能引起转子系统产生混沌运动.     

旋转压电纳米梁的振动分析

本文基于非局部弹性理论，对旋转压电纳米梁模型的振动进行了分析．首先由哈密顿原理导出旋转压电纳米梁的动力学控制方程及相应的边界条件；再通过微分求积法对控制方程和两类边界条件进行离散；最后通过数值计算分析振动特性．通过改变旋转角速度、轮毂半径、非局部参数以及外部电压分析它们对压电纳米梁振动频率的影响关系．数值结果表明这些参数对压电纳米梁固有频率有不可忽略的影响，本文进一步讨论了旋转角速度对结构模态的影响．     

转子在线自动平衡及其工程应用研究的进展

转子在线自动平衡技术可以在旋转机械运行期间调整其不平衡量来及时降低振动, 使其始终稳定运行.早期的自动平衡装置始于19世纪末, 包括液体型、环型、球型和摆锤型;20世纪60年代开始研究的自动平衡装置主要包括喷涂型、电腐蚀型、电子光束型、激光型和电化学型;20世纪后期研究的自动平衡装置主要包括电动机型和遥控型;现代的自动平衡装置主要包括液压型、电磁型和电磁轴承型.综述了国内外各种旋转机械在线自动平衡装置的结构和工作原理, 重点介绍了液压型和电磁型自动平衡装置的结构和控制原理.讨论了在线自动平衡技术最新的研究成果, 列举了在线自动平衡技术的工程应用实例, 介绍了应用电磁型自动平衡装置解决柔性弯曲转子和立式超重力机转子振动的试验.转子在线自动平衡技术已经大量应用到机械加工设备, 如磨床等, 显著提高了加工精度;有些还应用于流程工业中大型的旋转机械上, 如汽轮机、风机和压缩机等, 取得了巨大的经济效益.高可靠性的平衡执行机构和高效的控制策略等关键问题尚未完全解决.      

裂纹转子在支承松动时的振动特性研究

以具有支承松动的Jeffcott裂纹转子为研究对象，分析了支承松动和轴上横向裂纹对转子系统刚度的影响，建立了转子系统振动的微分方程，并用数值方法分析了其振动特性。分析表明，转子在裂纹和支承松动这两种非线性因素的作用下，表现出复杂的非线性行为。     

含裂纹转子在变速过程中的瞬态振动

本文分别针对理想和非理想能源，研究了含裂纹的转子加速通过主共振区、次共振区和参数共振区的瞬态振动。结果表明，转子过次共振及参数共振区的瞬态特性可能成为诊断裂纹的重要依据。另外，本文采用主谐波变换，将转子系统的运动分方程变换成了用主谐波系数表示的方程，用该方程求转系统远离次共振和参数共振点的稳态响应时，可用求解代数方程来代替求解原微分方程，从而使求解更简便。     

异步进动转子与限位器碰摩试验

利用限位器来限制储能飞轮实验转子的大幅度低频异步进动,设计了转子与限位器碰摩试验装置,研究转子的碰摩振动。分析了转子内表面碰摩力对转子运动的影响。转子与内置式限位器发生稳定的局部碰摩时,转子低频进动幅值不再增加,转子自转速度保持不变。碰摩转子的强迫振动在时域及频域都表现出了复杂性,碰摩冲击作为宽频激励,能够激励出转子-支承系统的第二模态正向进动。     

弹性转子-滑动轴承系统稳定性分析

对一人考虑不平衡力和非线性油膜力的弹性转子 -轴承系统 ,用数值方法研究其稳定性和油膜失稳运动 (自激振动 )特性 ;推导出转子受冲击的运动模型 ,并分析了冲击对系统稳定性的影响规律。     

基于压电纤维复合材料的旋转叶片主动控制

旋转叶片结构的振动失效占据了航空发动机整机故障的相当比重. 发展针对旋转叶片结构的减振技术对于减轻叶片重量, 提升叶片性能, 延长叶片寿命具有重要意义. 通过引入压电纤维复合材料(macro fiber composite, MFC)传感器和作动器, 研究预变形旋转叶片2:1内共振的主动控制. 建立考虑时滞效应的旋转叶片比例微分闭环控制系统运动方程. 通过摄动分析推导出受控叶片的演化方程, 并结合延拓法揭示速度增益、位移增益、时滞量等系统参数对受控系统稳态响应及稳定性的影响规律. 理论研究结果与数值结果得到相互验证. 研究发现时滞量对系统稳定性影响显著, 当时滞超过某临界值时, 演化方程原有的平衡点失稳, 闭环受控系统将缓慢进入一个大振幅的周期运动, 从而丧失控制效果. 位移增益存在一个范围使得系统出现多值稳态响应, 进而破坏了增益平面内系统稳定区和非稳定区域的直线边界. 不恰当的速度增益和位移增益会给受控系统引入新的共振. 研究结果为叶片结构的减振提供了理论基础.      

Non-linear vibration of variable speed rotating viscoelastic beams

Non-linear vibration of a variable speed rotating beam is analyzed in this paper. The coupled longitudinal and bending vibration of a beam is studied and the governing equations of motion, using Hamilton’s principle, are derived. The solutions of the non-linear partial differential equations of motion are discretized to the time and position functions using the Galerkin method. The multiple scales method is then utilized to obtain the first-order approximate solution. The exact first-order solution is determined for both the stationary and non-stationary rotating speeds. A very close agreement is achieved between the simulation results obtained by the numerical integration method and the first-order exact solution one. The parameter sensitivity study is carried out and the effect of different parameters including the hub radius, structural damping, acceleration, and the deceleration rates on the vibration amplitude is investigated.     

Implementation of active control on flexibly mounted pipe exposed to vortex induced vibration using rotating rod

This paper presents the experimental works on the active control implementation of a flexibly mounted cylinder exhibiting vortex induced vibration phenomena. The dynamic response of the system was initially studied by fixing single and double passive control rods to the main cylinder. It was found that the fixed control rod could not suppress the vibration for both cases. In fact, the vibration was amplified as compared with the bare cylinder response. By retaining the same position, an active open loop control strategy was introduced to the vibrating system by rotating the single control rod in clockwise and counter clockwise directions. The results indicated that the counter clockwise direction has suppressed the vibration up to 29.81 dB. Further investigation was made by studying the performance of the control rod at several speeds in a single reduced speed of 4.29. It was found that the maximum attenuation level of 19.56 dB was attained based on 1676 RPM of control rod rotating speed. In addition, an overview of attenuation level trends at both varying control speed and reduced speed were presented in this study. Through the experimental implementation of control strategies conducted in this research, it was found that the active control strategy has performed well as suppression strategy at ineffective fixed control rod position.     

Two-plane automatic balancing: A symmetry breaking analysis

We present an analysis of a two-plane automatic balancing device for rotating machinery. The mechanism consists of a pair of races that contain balancing balls which move to eliminate imbalance due to rotor eccentricity or principal axis misalignment. A model is developed that includes the effect of support anisotropy and rotor acceleration. The symmetry of the imbalance is considered, and techniques from equivariant bifurcation theory are used to derive a necessary condition for the stability of balanced operation. The unfolding of the solution structure is explored and we investigate mechanical systems in which either the supports or the automatic ball balancer is asymmetric. Here it is shown that, provided the imbalance is small, the balanced state is robust to the considered asymmetries.     

Nonsynchronous vibrations of rotor system induced by oil-block inside the rotating drum

Lubrication oil in a rotor system guarantees the rotating components working smoothly and protects the system from being damaged due to friction. A volume of lubrication oil, however, sometimes leaks into the inner cavity of shaft and drums of rotor system and forms an oil-block during rotating operation. The oil-block usually induces abnormal vibration of the rotating machine, which is often observed in practical cases, such as in aero-engine. The work in this paper studies the nonsynchronous vibration (NSV) induced by an oil-block in a rotating drum of a Jeffcott rotor system, which consists of a shaft, a drum and two supporting isotropic bearings. The additional effect due to an oil-block rotating on the inner wall of the drum is included into rotor system differential equations considering the Coriolis acceleration and friction interaction between the oil-block and the drum. Numerical simulations are carried out under two rotating speeds conditions: a lower one and a higher one than the first critical rotor speed, which are defined as rigid rotor case and flexible rotor case. Numerical results states the transverse vibrations by bifurcation diagrams, shaft center trajectories, frequency spectra and Poincare diagrams, which reveal multi-periodic, quasi-periodic and other complex motions due to the existing of oil-block. The internal friction coefficient and mass of the oil-block are found to have a significant effect on the generation and development of NSV. As the oil-block case is very common in practice, the investigation of NSV caused by oil-block in rotor system would benefit the understanding of complex phenomena and contribute to fault detection and diagnosis of rotating machine.