转子系统随机支撑刚度参数的识别

基于Riccati摄动随机传递矩阵方法建立的转子系统特征值与随机参数变量间的函数关系,给出了转子系统随机参数的识别方法和详细步骤,可用于识别随机参数的均值和方差。以改装的Bently实验转子为研究对象,通过大量测试,识别出了转子系统的随机支撑刚度参数,建立了该转子系统的随机参数动力学模型。该模型可用于研究转子系统的随机参数动力学问题。     

电磁轴承—转子系统的动态特性

本文提供了一个闭环控制电磁轴承-转子试验系统,在电磁力的控制作用下,重量为4公斤、直径为50毫米的转子完全悬浮于二个径向电磁轴承之中,转速可达3000转/分。本文还建立了此闭环控制系统的数学模型,通过数字仿真分析了其动态特性,探讨了控制器参数对转子运动的控制效果以及与电磁轴承动刚度之间的变化关系。     

滚动轴承-偏置转子系统动力特性数值分析与实验研究

应用有限元法建立偏置转子的计算模型,采用考虑轴承Hertzian接触力和内间隙等非线性因素的二自由度滚动轴承模型,建立了滚动轴承-偏置转子系统的非线性动力学模型.通过数值仿真和实验研究分析了转子系统的非线性动力特性.实验数据和有限元模型计算结果是一致的,证实了所建立滚动轴承-转子系统非线性模型的合理性.发现由于滚动轴承非线性因素的影响,当转速达到系统共振转速的两倍附近时,激起了系统亚谐共振.     

有初弯的刚度非对称转子的动力学特性分析及实验研究

对刚度不对称转子在有初始弯曲时的稳定性和动态响应性特性进行了理论分析和实验研究。重点研究了初弯方向与原始不平衡方向间夹角对系统响应特性的影响，提出了识别转子初弯和刚度不对称情形的特征量和诊断方法。研究表明：初始弯曲转子不仅在低转速时的振幅趋于初始弯曲值，而且随初始弯曲与不平衡间夹角的变化和初始弯曲与偏心距比值大小的变化振幅曲线出现很大的差异。特别是在大夹角情形下，夹角对振幅曲线的影响较大。当初始弯曲小于偏心距时，临界前振幅会随着转速升高而下降然后又上升，而当初始弯曲大于偏心距时，临办后振幅会随着转速升高而下降然后又上升。在临界前刚度不对称轩子的幅频曲线有副临界现象，转子运转频率处于两个自然频率间时系统会失稳，不平衡的增大对两类情况的幅频曲线变化趋势影响较大。     

推力主动磁轴承的动特性参数辨识

针对五自由度刚性非对称磁轴承 -转子系统 ,建立了系统动力学模型 ,在此基础上推导出系统动特性参数辨识公式 ,并用多频电流激励法辨识出参数 .与理论计算结果相比表明 :系统所建模型符合实际 ,辨识方法有效 ;径向轴承在 x和 y方向上的力 -刚度和力 -电流系数相同 ,与推力轴承对应系数相比稍大 ;推力轴承对转子横向振动产生的耦合效应明显影响系统的稳定性 ,在设计系统时必须加以考虑     

高速涡轮增压器轴承-转子系统不平衡响应及稳定性分析

汽车涡轮增压器广泛采用浮环轴承支承的小型轻质转子系统,以实现100 000~300 000 r/min的工作转速,提高发动机功率和动力性能,并降低燃油消耗和排放. 在此超高速工况下,动压油膜的强非线性作用和转子固有的不平衡效应使该系统呈现出复杂的动力学现象,其中油膜涡动、振荡、跳跃、倍周期分岔和混沌等非线性动力学行为对增压器的健康运转意义重大,因而备受关注. 本文作者从摩擦学动力学耦合的角度出发,基于流体动压轴承润滑理论和有限差分法计算非稳态油膜压力,结合达朗贝尔原理和传递矩阵法建立了转子离散化动力学方程,提出了一种由双油膜浮环支承的涡轮增压器转子系统动力学模型,并从转子轨迹、轴承偏心率、频谱响应、庞加莱映射和分岔特性等方面比较分析,描述了该非线性轴承-转子系统的不平衡效应及油膜失稳特征. 结果表明:转子一般在相对低速下作稳定的单周期不平衡振动,在高转速下其被油膜失稳引起的次同步涡动所抑制,但不平衡量的增加可阻碍转子以拟周期运动通向混沌运动的路径;适当不平衡补偿下,由于内、外油膜间交互的非线性刚度和阻尼作用,在油膜失稳区间之间的中高速区会出现适合增压器健康运转的稳定区间.      

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.     

油膜支撑双盘转子-轴承系统周期运动稳定性与分岔

建立了考虑油膜支撑的双盘转子-轴承系统多自由度模型, 将与Newmark结合的延拓打靶法应用到多自由度系统的周期稳定性分析中. 主要研究双盘转子-轴承系统在转盘偏心量、偏心初始相位、轴承间隙、润滑油动力黏度以及轴承长径比5个参数域内的变化规律,得到一些有益结论: 该系统的周期运动主要以倍周期或拟周期分岔而失稳; 采用较小的转盘偏心量或增大转盘的初始偏心相位差可以提高失稳转速; 为抑制系统过早失稳, 应适当提高轴承长径比和尽可能采用较小的轴承间隙; 在选用润滑油时, 并非其动力黏度越大越好, 动力黏度较小的润滑油反而可以适当提高系统失稳转速. 研究方法和结果为相关及更为复杂的转子-轴承系统的稳定性设计及振动控制提供了理论参考.      

挤压油膜阻尼器-滑动轴承转子系统动力学分析与优化设计

为了对挤压油膜阻尼器-转子系统中挤压油膜阻尼器(SFD)的各项参数进行优化设计,使转子系统的动力学性能达到最佳状态,本文综合运用转子动力学和油膜润滑基本理论以及数值分析方法,对SFD-滑动轴承转子系统的灵敏度及动力学优化进行了系统研究。灵敏度分析结果表明:轴承间隙c1、SFD间隙c2、油粘度η对转子系统的一阶临界转速的影响较大;SFD间隙c2、轴承间隙c1、转轴刚度K2对二阶临界转速的影响较大。据此得到优化的设计变量为c1、c2、η、K2,并采用遗传算法对临界转速进行了优化分析;经过优化后,系统的一阶、二阶临界转速差值由原来的510rad/s变为860rad/s,系统动力学性能得到较大改善。本文的优化设计结果可为此类转子系统的设计提供参考。     

弹性转子实验台的响应分析

建立了考虑轴承和隔振垫弹性的非对称支承转子实验台系统的非线性动力学碰摩模型, 应用数值分析的方法对其进行研究. 以转速为分叉参数,结合Poincar\'{e}截面和自相关函数图等, 分析隔振垫刚度对系统分叉与混沌动力学行为的影响. 分析结果表明, 隔振垫刚度对系统动力学行为有较大影响, 系统通向混沌的道路主要是阵发性分叉和倍周期分叉. 实验分析所得到的系统运动性质与数值模拟结果一致.     

Dynamic stiffness characteristics of aero-engine elastic support structure and its effects on rotor systems: mechanism and numerical and experimental studies

The support structure of a rotor system is subject to vibration excitation,which results in the stiffness of the support structure varying with the excitation frequency(i.e., the dynamic stiffness). However, the dynamic stiffness and its effect mechanism have been rarely incorporated in open studies of the rotor system. Therefore, this study theoretically reveals the effect mechanism of dynamic stiffness on the rotor system. Then,the numerical study and experimental verification are conducted on...     

一种含放大机构的负刚度动力吸振器的参数优化

在大多数情况下机械振动是有害的,它不仅产生噪声还会降低设备的工作精度和使用寿命.采用正刚度特性的吸振、隔振系统往往难以达到满意效果,这种情况在低频振动控制系统中尤其明显.放大机构与负刚度元件在振动控制领域均表现出良好性能,但是较少有对同时含有放大机构与负刚度装置的动力吸振系统的研究.以Voigt型动力吸振器为基础提出了一种将放大机构应用于含负刚度弹簧元件的动力吸振器模型,对该模型的最优参数进行了研究.首先建立了系统的运动微分方程并得到了其解析解,发现该系统存在两个固定点,利用固定点理论得到了动力吸振器的最优频率比.根据负刚度的特性,在保证系统稳定的前提下得到了最优负刚度比,并推导了系统的近似最优阻尼比.通过数值仿真验证了解析解的正确性.与多种动力吸振器在简谐激励与随机激励下进行了对比,说明了本文模型相比于已有的动力吸振器,能够大幅降低共振振幅、拓宽减振频带并且降低系统的谐振频率,为设计新型动力吸振器模型提供了理论依据.      

螺桨盘转子轴头动刚度实验测量方法及技术处理

在螺桨盘转子系统的颤振涡动研究中,系统的安装刚度对转子的颤振涡动失稳有着重要的作用.对于飞机发动机,实际安装情况十分复杂,发动机短舱.安装节、机翼等对螺桨盘转子的运动均有影响.所以,在颤振涡动研究中,必须考虑轴头的动刚度.轴头的动刚度是通过动柔度转换而来的,而在动柔度的实验测量中必须解决几个技术问题,首先是提高信噪比.其次是消除工艺夹具带来的附加质量和附加转动惯量的影响,从而提高动刚度系数的测量精度.本文通过对模型转子以及某实际桨轴发动机转子轴头动刚度系数的测量及处理,阐述轴头动刚度矩阵的测量方法,以及有关技术问题的处理过程.     

钢丝软轴抗扭刚度的计算及测量

根据钢丝软轴基本参数的变化,确定其受载后其它几何尺寸的变化量,由此导出软轴两端相对扭转角进而得到钢丝软轴抗扭刚度的计算公式,此外,笔还在扭转试验机上对钢丝软轴的抗扭刚度进行实验测量,结果证实本理论计算值吻合于实际测量值。     

弹性箔片动压径向气体轴承动特性的实验研究

建立了新型弹性箔片动压气体轴承性能测试实验台,在静载60N、转速9000r／min条件下进行轴承性能测试试验,通过中心插值法获得轴承中心的扰动速度和加速度,采用时域最小二乘法计算不同激振频率下的8个轴承动态线性刚度和阻尼系数,考察了激振频率对轴承动特性系数的影响．结果表明：轴颈中心扰动轨迹为椭圆形且振幅随动态激振频率增加而增大;刚度和阻尼系数的直接项随动态激振频率增加而减小;交叉刚度和阻尼相对激振频率的变化较小,且其值小于直接项;当激振频率与轴颈转动频率相同时,工频成分的影响较大,轴心扰动幅值明显增大,刚度和阻尼的直接项小于其它频率时的值．     

弹性支承滑动轴承－转子系统稳定性的研究

本文研究弹性支承滑动轴承－转子系统的动力稳定性问题，建立了弹性支承滑动轴承－Ｊｅｆｆｃｏｔｔ转子系统的力学模型，采用牛顿延拓法从理论上对该转子轴承系统的动力稳定性进行了分析，讨论弹性支承的刚度对系统稳定性的影响，从而提出提高系统稳定性的有关措施。最后，依据理论分析，利用Ｊｅｆｆｃｏｔｔ转于实验台，作者设计和加工了一副弹性支承器，通过刚性支承和弹性支承两个对比实验，对理论分析的结果进行了验证。实验结果表明，弹性支承能提高转子动力稳定性。     

Rotordynamic model for electromagnetic excitation caused by an eccentric and angular rotor core in an induction motor

The paper shows a rotordynamic model for electromagnetic excitation caused by an eccentric and angular rotor core in an induction motor. It is shown that an eccentric rotor core leads to an electromagnetic force and an angular rotor core to an electromagnetic moment, which both force the rotor to vibrate. For these two kinds of magnetic unbalance, a rotordynamic model was developed considering the influence of the oil film stiffness and damping of the sleeve bearings, the stiffness of the end-shields and bearing housings, the stiffness of the rotor, the electromagnetic stiffness—radial and angular electromagnetic stiffness—the mass moment of inertia and the gyroscopic effect of the rotor. With this model, the absolute orbits of the shaft centre, the shaft journals and the bearing housings can be calculated, as well as the relative orbits between the shaft journals and the bearing housings. Additionally, the bearing housing velocities can also be computed. In addition to the mathematical derivation of the model, also a numerical example is shown for clarification. The aim of the paper is, on the one hand, to show the mathematical coherences—based on an analytical model—between rotordynamics and the electromagnetics for an induction motor with an eccentric and angular rotor core and, on the other hand, to derive a calculation method for evaluating the vibration sensitivity regarding these two different kinds of magnetic unbalance.     

一种含惯容和接地刚度的动力吸振器参数优化

大多数机械振动属于有害振动, 不仅会产生噪声还会降低设备的使用寿命和工作性能. 接地刚度和惯容这两种器件均能改变系统的固有频率, 在振动控制领域中有着良好的效果. 但目前的大部分研究仅着眼于单一元件对系统产生的影响, 而此类吸振器逐渐难以满足设备对振动控制需求的增长. 在Voigt型动力吸振器模型的基础上, 提出了一种含有惯容和接地刚度的新型动力吸振器模型, 详细研究了该模型的最优设计参数, 推导出最优设计公式的解析解. 首先通过牛顿第二定律建立起二自由度系统的运动微分方程, 计算出系统解析解, 发现系统存在3个与阻尼比无关的固定点, 利用固定点理论得到了动力吸振器的最优频率比. 为保证系统稳定性, 筛选最优接地刚度比时, 发现不恰当的惯容系数会导致系统产生失稳现象, 进而推导出惯容最佳工作范围, 最终得到了最优接地刚度比和近似最优阻尼比. 分析了惯容系数取值在最佳范围以外时系统的工作情况, 并给出了实际应用中的建议. 通过数值仿真验证了推导得到解析解的正确性. 与多种已有的动力吸振器在简谐激励和随机激励的工况下进行对比, 说明了该模型能够大幅降低主系统振幅, 拓宽减振频带, 为设计新型吸振器提供了理论依据.      

DYNAMICS MODELING,SIMULATION, AND CONTROL OF ROBOTS WITH FLEXIBLE JOINTS AND FLEXIBLE LINKS$^{\bf 1)}$

本文探究了铰柔性对机器人动力学响应和动力学控制的影响. 首先, 建立由$n$个柔性铰和$n$个柔性杆组成的空间机器人模型, 运用递推拉格朗日动力学方法, 得到柔性机器人系统的刚柔耦合动力学方程. 在动力学建模过程中, 除了考虑杆件的拉伸变形、弯曲变形、扭转变形以及非线性耦合变形对机器人系统动力学行为的影响, 还考虑了铰的柔性对机器人动力学响应和控制的影响. 其中, 柔性铰模型是基于Spong的柔性关节简化模型, 将柔性铰看成线性扭转弹簧, 不仅考虑了铰阻尼的存在, 还考虑了柔性铰的质量效应. 其次, 编写了空间柔性铰柔性杆机器人仿真程序, 研究铰的刚度系数和阻尼系数对系统动力学响应的影响. 研究表明: 随着柔性铰刚度系数的增大, 柔性机器人的动态响应幅值减小, 振动频率变大. 随着柔性铰阻尼系数的增大, 柔性机器人的动态响应幅值减小, 振动幅值的衰减速度变快. 可通过调节柔性铰的刚度和阻尼来减小柔性铰柔性杆机器人的振动, 因此铰阻尼的研究具有重要工程意义. 最后, 研究了铰柔性在机器人系统动力学控制中的影响. 在刚性铰机械臂和柔性铰机械臂完成相同圆周运动时, 通过逆动力学方法求解得到两种情况下的关节驱动力矩. 研究表明: 引入柔性铰会使控制所需的驱动力矩变小, 对机器人控制的影响显著.