动载荷作用下中介轴承的非线性热行为研究

中介轴承作为双转子系统高低压转子重要的支承部件,其内圈和外圈均随着低压转子和高压转子高速旋转, 其传热问题更加突出.本文研究中介轴承在非线性动载荷作用下的非线性热行为.基于双转子系统动力学响应定义中介轴承动载荷,考虑中介轴承的径向游隙、分数指数非线性和参数激励等非线性因素,中介轴承动载荷会出现跳跃和双稳态等非线性行为. 考虑润滑剂的黏温关系,根据Palmgren经验公式建立动载荷作用下中介轴承的热传递模型,通过数值求解得到中介轴承稳态温度,发现动载荷的非线性行为导致中介轴承温度出现跳跃和双稳态等非线性热行为.分析转速比、偏心距、中介轴承径向游隙、Hertz接触刚度和滚子数目对中介轴承温度及非线性热行为的影响,表明偏心距、径向游隙和刚度只影响非线性热行为,而转速比和滚子数目对两者都有重要影响. 本文研究表明,动载荷相较于静载荷更适合描述中介轴承的实际载荷,由于双转子系统具有非线性振动特性, 中介轴承的热行为也表现出复杂的非线性行为.      

NONLINEAR THERMAL ANALYSIS FOR THE INTER-SHAFT BEARING UNDER THE DYNAMIC LOAD 1)

中介轴承作为双转子系统高低压转子重要的支承部件,其内圈和外圈均随着低压转子和高压转子高速旋转, 其传热问题更加突出.本文研究中介轴承在非线性动载荷作用下的非线性热行为.基于双转子系统动力学响应定义中介轴承动载荷,考虑中介轴承的径向游隙、分数指数非线性和参数激励等非线性因素,中介轴承动载荷会出现跳跃和双稳态等非线性行为. 考虑润滑剂的黏温关系,根据Palmgren经验公式建立动载荷作用下中介轴承的热传递模型,通过数值求解得到中介轴承稳态温度,发现动载荷的非线性行为导致中介轴承温度出现跳跃和双稳态等非线性热行为.分析转速比、偏心距、中介轴承径向游隙、Hertz接触刚度和滚子数目对中介轴承温度及非线性热行为的影响,表明偏心距、径向游隙和刚度只影响非线性热行为,而转速比和滚子数目对两者都有重要影响. 本文研究表明,动载荷相较于静载荷更适合描述中介轴承的实际载荷,由于双转子系统具有非线性振动特性, 中介轴承的热行为也表现出复杂的非线性行为.     

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.     

具有裂纹-碰摩耦合故障转子-轴承系统的动力学研究

以非线性动力学和转子动力学理论为基础，分析了带有碰摩和裂纹耦合故障的弹性转子系统的复杂运动，在考虑轴承油膜力的同时构造了含有裂纹和碰摩故障转子系统的动力学模型。针对短轴承油膜力和碰摩-裂纹转子系统的强非线性特点，采用Runge-Kutta法对该系统由碰摩和裂纹耦合故障导致的非线性动力学行为进行了数值仿真研究，发现该类碰摩转子系统在运行过程中存在周期运动、拟周期运动和混沌运动等丰富的非线性现象，该研究结果为转子-轴承系统故障诊断、动态设计和安全运行提供理论参考。     

等效线性化——Prohl传递矩阵迭代法

本文提出了通过逐次将非线性力等效线性化,然后用具有许多优点的 Prohl 法计算等效系统响应的迭代法,用以求非线性转子系统的稳态不平衡响应.实例计算了装有中介轴挤压油膜阻尼器的双转子发动机的稳态不平衡响应.     

非稳态非线性油膜力作用下柔性轴裂纹转子的动力特性分析

分析了在动载轴承非稳态非线性油膜力作用下，具有横向裂纹柔性轴Jeffcott转子在非线性涡动影响下的动力特性。通过数值计算表明，在油膜失稳转速前，随着裂纹轴刚度变化比的增大，系统在低转速区域内具有丰富的非线性动力行为，出现倍周期分叉及混沌现象，涡动振幅随转速升高而减小，直到非稳态非线性油膜失稳，在无裂纹转子油膜临界失稳点处发现了类Hopf分叉现象，系统运动由平衡变为拟周期运动；裂纹转子在油膜临界失稳时的系统运动亦为拟周期运动，裂纹转子轴刚度变化对油膜失稳点及油膜失稳之后转子的运动影响不大，转子系统作拟周期运动。     

复杂非线性转子—轴承系统动力特性数值分析

研究非线性高维复杂转子－轴承系统的动力特性。针对系统的局部非线性特征,给出了一种降阶及配套动力积分方法。降阶系统仍保持局部非线性特征,非线性响应数值积分所需的迭代只需在局部非线性的维数上执行。对于油膜力无封闭解的实际轴承,采用变分不等方程有限元法求解Reynolds边值问题,使得油膜力及其Jacobian矩阵的计算变得非常简单明了且与具有协调一致的精度。应用上述方法计算分析了一双跨、椭圆轴承－转子系统的不平衡响应,数值结果展现了系统丰富复杂的非线性现象。     

非线性转子-轴承系统涡动的机械化数学分析

为研究转子一轴承系统中非线性油膜力引起的半速涡动，本文给出了将吴文俊消去法和符号计算相结合的分析方法。基于短轴承假设，得到了单盘转子系统涡动时盘心、轴心及涡动角速度相对于无量纲转速的关系式。分析研究了转子涡动角速度变化规律及出现的双稳态现象。     

磁浮轴承转子系统的响应特性研究

针对非线性磁浮轴承转子系统的特点,建立了刚性磁浮轴承转子系统的非线性动力学方程。运用多尺度法研究了系统主参激共振的一次、二次近似稳态响应。结果表明,二次非线性项对系统稳定性有重要影响。为更好控制磁浮轴承转子系统运行状态提供了理论参考。     

转子-轴承系统的非线性分析和计算

对于非稳定载荷下滑动轴承的轴心轨迹计算,霍兰德(Holland)解的方法已在德国广泛应用.本文在霍兰德解的方法基础上,提出了一种新的非线性分析和计算方法。作为计算实例,对全周圆柱轴承支承单质量对称柔性转子系统的计算结果与染谷常雄(Someya)的结果进行了比较,两者基本相符.但本文提出的方法比染谷常雄的方法简捷,可望能较容易地推广到任意滑动轴承支承转子系统的非线性分析和计算中去。     

Poincare型胞映射分析方法及其应用

本文用Poincare型胞映射方法对平衡及不平．衡轴承转子非线性动力系统的全局特性进行了分析研究,同时求得了一定状态空间内系统存在的周期解及其在各不同Poincare截面上的吸引域,得到了一些新的现象和规律,并通过对平衡及不平衡轴承转子系统的全局特性异同的比较,说明了要建立既适用于平衡轴承转子系统又适用于不平衡轴承转子系统的非线性稳定性准则应注意的几个问题     

自由落体下的滚动轴承冲击载荷

首先分析了滚动轴承的弹性接触变形能,根据能量守恒原理,提出了轴承变形能与自由落体势能守恒的关联方程,并完成了对轴承冲击动载荷的数值求解. 对于实践中常见的缓冲弹簧-轴承系统,根据弹簧和轴承的刚度比来确定它们各自分担的冲击能量,在此基础上对轴承的动载荷系数进行了计算,文中给出的具体算例与工程实际较为符合. 本文提出的方法可以作为确定轴承冲击载荷的参考依据.     

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.     

考虑密封的悬臂转子系统的裂纹故障分析

以双盘悬臂立式转子-轴承系统为研究对象，建立了系统运动微分方程，并用数值方法分析了在非线性密封力和非线性油膜力作用下的裂纹转子的动力学特性。分析表明，在一定深度裂纹下，转子系统响应随不同角频率比表现出复杂的非线性现象，出现了周期k运动、拟周期运动和混沌运动等多种运动形式。在一定角速度时，工作在远离临界角速度区的转子系统对裂纹非常敏感，而工作在近临界角速度区的转子系统对裂纹不是特别敏感，但是裂纹对它的运动状态影响较大。该研究结果为该类转子-轴承系统的安全运行与故障诊断提供了一定的理论参考。     

碰摩裂纹转子轴承系统的周期运动稳定性及实验研究

根据碰摩裂纹耦合故障转子轴承系统的非线性动力学方程，利用求解非线性非自治系统周期解的延拓打靶法，研究了系统周期运动的稳定性。研究发现，小偏心量下系统周期运动发生Hopf分岔，大偏心量下系统周期运动发生倍周期分岔，偏心量的加大使周期解的稳定性明显降低；系统碰摩间隙变小，碰摩影响了油膜涡动的形成，使失稳转速有所提高；裂纹深度的加大降低了系统周期运动的稳定性。本文的研究为转子轴承系统的安全稳定运行提供了理论参考。     

推力轴承对轴承－转子系统的耦合作用研究

研究了推力轴承对轴承－转子系统的耦合作用。在传递矩阵法的基础上，提出一种研究考虑推力轴承影响的轴承－转子系统的动力学的通用方法。研究中考虑了如下几个因素：（１）推力盘的静态倾斜；（２）转子的静变形；（３）径向轴承中负荷的重新分配；（４）偏载对径向轴承性能的影响；（５）推力轴承对系统稳定性的影响。研究结果表明，在某些情况下，推力轴承对径向轴承的动特性、转子的静挠度、系统稳定性等具有显著的影响     

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.     

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。     

非线性刚度不平衡转子径向碰摩动力学研究

以线性项和立方项之和来表示转轴材料的物理非线性因素,建立了考虑非线性油膜力和非线性刚度的轴转子系统的动力学模型,利用数值积分法对转子系统由于局部碰摩故障导致的非线性动力学行为进行了研究,发现此类非线性振动系统具有倍周期分岔、拟周期和混沌等复杂的动力学行为,为此类系统的安全运行和有效识别转子故障提供了理论参考。