悬臂双盘一轴承转子系统幅频特性分析.PDF

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1、2 0 0 7年0 9月 第23卷第5期 沈阳建筑大学学报(自然科学版) Sep 2007 Journal of Shenyang Jianzhu University(Natural Science) Vo123，No5 文章编号：16712021(2007)05085105 悬臂双盘一轴承转子系统幅频特性分析 王正浩 ，刘大任2，范改燕。，苏锡国 (1沈阳建筑大学理学院，辽宁沈阳110168；2沈阳建筑大学学报编辑部，辽宁沈阳110168； 3沈阳建筑大学图书馆，辽宁沈阳110168) 摘要：目的研究转子系统幅频特性抑制振幅，为提出一种更优化的鉴别方法振幅跳跃 方法建立具有碰摩故障的八个自

2、由度悬臂双盘一轴承转子系统的力学数学模型，利用计算机 数值模拟分析系统的幅频特性结果该转子系统存在两个临界转速；阻尼能有效地抑制振幅， 但当阻尼达到一定值时，再增大阻尼对抑制振幅效果不明显，阻尼使一阶临界转速提高、工作 转数范围变窄；碰摩使一阶l临界转速提高，共振振幅增大，在低频段出现振幅跳跃现象，随着碰 摩间隙的减小，振幅跳跃现象更加复杂结论在振幅跳跃转速范围，系统的拓扑结构发生了变 化，故会出现混沌运动，为研究混沌运动提供一种新的方法 关键词：转子系统；幅频特性；碰摩；振幅跳跃 中图分类号：TU365 文献标识码：A 旋转机械是工业部门应用广泛的机械设备， 旋转机械中经常采用悬臂双盘一轴承

3、转子系 统n2随着科学技术的发展，旋转机械在向高 速、重载和自动化方向发展转子系统是旋转机械 的核心部件，如果振动过大，会使机械零部件疲劳 失效，而阻尼是抑制振动有效的措施 J为提 高旋转机械的输出功率，采取的重要措施之一就 是缩小旋转机械转子与定子之间的间隙，这将增 大转子和静子间发生碰摩的可能性转子和静子 间发生碰摩，是机械失效的主要原因之一，即使不 发生事故，碰摩也会导致转静件接触部分的磨损， 降低封严结构的性能，所以碰摩转子的非线性运 动近几年来得到了国内外学者的高度重视 -8 J 而在振动分析时，幅频特性曲线占有重要地位，从 幅频特性曲线上可以观察到振动系统的固有频 率、阻尼等诸多因

4、素对振动幅值的影响等 12 因此研究转子系统幅频特性抑制振幅是工程上很 受重视的研究课题u0 笔者从抑制振幅的需 求出发，以现代非线性动力学和转子动力学理论 为基础，建立了八个自由度悬臂双盘一轴承转子 系统的力学数学模型，利用计算机数值模拟，分析 了阻尼、碰摩对转子系统幅频特性的影响，并提出 一种新的鉴别方法一振幅跳跃 1转子系统动力学模型与运动微分 方程 不考虑摩擦的热效应，转定子间的局部碰撞 变形为线弹性，摩擦符合库仑摩擦定律，则碰摩时 碰撞力和切向摩擦力(见图1)可以表示为 F0 (P ) P f ，1、 【(P )忌 (P ) F =fV 式中：k 为定子径向刚度；f为摩擦系数； 为静

5、 止时转定子间的间隙； =z；+Y；为圆盘2径 向位移，见图2当圆盘2径向位移小于静止时转 定子间的间隙时，不发生碰摩，当圆盘2径向位移 大于静止时转定子间的间隙时，发生碰摩发生碰 摩时，碰摩力在水平轴和铅垂轴上的投影分别为 收稿日期：20070306 基金项目：辽宁省教育厅科研项目(20201449) 作者简介：王正浩(1960一)，男，教授，博士研究生，主要从事旋转机械动力学、结构抗震、振动利用与控制研究 第23卷 王正浩等：悬臂双盘一轴承转子系统幅频特性分析 853 在两个临界转速，分别为4 146 rmin和12 100 rmin，与根据转子系统无阻尼自由振动的频率方 程，计算得到的转

6、子系统同步正向涡动时的临界 转速分别为4 146 rmin和12 094 rmin(同步反 向涡动时的临界转速分别为3 700 rmin，11 409 rmin，22 320 rmin和26 259 rmin，在转子系统 运转过程中没有出现)完全吻合，共振振幅分别为 4283 mm和3913 mm(理论上共振振幅为无穷 大，如果进一步减小计算步长，共振振幅将趋于无 穷大)，必须采取措施给予抑制 图3非碰摩无阻尼幅频特性曲线 n(rrain、 (a) 3转子系统非碰摩有阻尼幅频特性 曲线 由有阻尼幅频特性曲线(见图4)可知(定子 径向刚度k =1484710 Nm，两圆盘的偏心 距均为e=el=

7、e2=05 mm)，转子系统在临界转 速等位置，振幅得到了明显抑制。当阻尼系数为 006 Nsm时，见图4(a)，一阶共振振幅(在 4 146 rmin处)为114 mm，在比较大的工作转 数范围(工作转数应该偏离临界转速10以上， 即在4 56010 885 rmin范围内)内振幅稳定， 为12 mm左右；当阻尼系数为02 Nsm时，见 图4(b)，一阶共振振幅(在4 146 rmin处)为 3379 mm，在比较大的工作转数范围内振幅比较 稳定。为051871191 mm；当阻尼系数大于 08 Nsm时，临界转速有所提高，在比较大的工 作转数范围内振幅不够稳定，一阶共振振幅基本 消除由以上

8、分析可知，阻尼能有效地抑制振幅， 特别是对共振振幅，阻尼越大，抑制效果越好，但 当阻尼达到一定值时，再增大阻尼对抑制振幅效 果不明显，并提高了临界转速，缩小了工作转数范 围 20 18 16 l4 目12 10 80 60 40 20 图4有阻尼幅频特性曲线 4转子系统有阻尼碰摩幅频特性曲 线 定子径向刚度k，=1484 710 Nm，两圆 盘偏心距均为e=e】=e2=05 mm，阻尼C= 02，碰摩间隙艿=1 mm，摩擦系数f=02时的 幅频特性曲线，见图5由图可知，碰摩使一阶临 界转速有所提高(在4 314 rmin处)，一阶共振振 幅增大为4174 mm，其他转速位置振幅也有所 提高在8

9、38 rmin转速附近，出现振幅跳跃现 象，这是非线性转子振动系统幅频特性曲线的一 个特点 定子径向刚度k =1484 710 Nm，两圆 盘偏心距均为，e=e1=e2=05 mlTl，阻尼C=0 2，碰摩间隙艿=05mm，摩擦系数f=02时的幅 频特性曲线，见图6由图可知，随着碰摩间隙的 减小，一阶临界转速提高，共振振幅增大，在低频 段出现的振幅跳跃现象更加复杂 定子径向刚度k，=1310 Nm，两圆盘偏 心距均为e=e】=e2=168 mm，碰摩间隙 如 加：2 ：兮0：兮 口 O 湖 m _一 O 5 854 沈阳建筑大学学报(自然科学版) 第23卷 =1 mm，摩擦系数厂=02，阻尼系

10、数C=0376 情况下的有阻尼碰摩时的幅频特性曲线，见图7 (a)定子径向刚度k r=1484 810 Nm，两圆 盘偏心距均为P=P1=P2=1688 mm，碰摩间隙 2O l8 l6 14 l2 lO 8O 6O 40 2O n(rmin 1 (a) =1 mm，摩擦系数厂=02，阻尼系数C=02 情况下的有阻尼碰摩时的幅频特性曲线，见图7 (b) 图5有阻尼碰摩间隙幅频特性曲线 (c) 009 OO8 007 暑OO6 罢OO5 H 004 OO3 OO2 OOl O l n(rrain 1 (b) l5O 图6有阻尼碰摩间隙幅频特性曲线 n(rrain。1 (a) l 200 l 25

11、0 l 300 n(rrain 1 (d) 图7有阻尼碰摩幅频特性曲线 由图7可知，在转速分别为831870 rmin (见图7(a)和490872 rmin(见图7(b)，振幅 跳跃现象比较复杂，这是非线性转子振动系统幅 频特性曲线的特点在这个转速范围，系统的拓扑 结构发生了变化，故可能会出现混沌运动【7 J关 于在这个转速范围，系统是否会出现混沌运动以 n(rrain。 1 (b) 及其他复杂的动力学特征，将另文讨论 5结论 阻尼对比较复杂的多自由度悬臂双盘一滚动 轴承转子系统的振幅具有明显的抑制作用，但当 阻尼达到一定值时，再增大阻尼对抑制效果不明 昌口、rH 昌aI， 昌葺、 第23卷

12、 王正浩等：悬臂双盘一轴承转子系统幅频特性分析 855 显，并提高了一阶临界转速，使工作转数范围变 窄；碰摩使一阶临界转速和共振振幅增大，在低频 段出现振幅跳跃现象，在振幅跳跃转速范围，系统 的拓扑结构发生了变化，故会出现混沌运动，振幅 跳跃为研究混沌运动提供一种新的方法 参考文献： 1 2 3 4 5 6 张韬，孟光双盘悬臂转子系统碰磨响应的分叉与 ?昆沌特性分析J上海交通大学学报，2002，36 (6)：839843 任朝晖，陈宏，李鹤，等双盘悬臂转子轴承系统碰 摩故障数值仿真与实验分析J中国机械工程， 2006，17(17)：18291833 Zhang Y M，Wen B C，Liu

13、Q IReliability sensitivity for rotor stator systems with rubbingJJournof Sound and Vibration，2003，259(5)：10951107 Engelen K，Ramon H，Saeys W，et a1Positioning and tuning of viscous damper on flexible structureJ Journal of Sound and Vibration，2007(304)：845 862 Gurgoze MErol HDynamic response of a visco

14、usly damped cantilever with a viscous end conditionJ Journal of Sound and Vibration 2006(298)：132 153 Engelen K，Ramon H，Anthonis JDamping of spray boom structures with nonlinear dampersJ，Pro ceedings of ISMA，2006(158)：147156 7 袁惠群非线性转子局部碰摩故障的分叉与混沌 行为J东北大学学报：自然科学版，2000，21(6)： 610613 8Li X F，Shi T L，Y

15、ang S ZNon linear dynamics of rotor rubbing against rotorstator on flexible sup portsJJournal of Vibration Engineering，2001，14 (3)：303308 9侯俊明，程婕单自由度振动系统幅频特性曲线的 检测方法J纺织高校基础科学学报，2002，15 (2)：156158 10 申永军，杨绍普，陈恩利，等一类半主动控制非线 性系统的动力学分析J振动工程学报，2005，18 (2)：219222 11蒯苏苏，杨超君机构运动参数幅频特性曲线的研 究J煤矿机械，2005，(11)：4

16、245 12 王伟，赵庆海，张海燕动力减振器参数优化分析 J，振动与冲击，2006，25(5)：180182 13刘永寿，支希哲，顾致平，等转子系统振动的灰色 关联控制方法研究J动力学与控制学报，2004，2 (3)：9093 14 Ehrich FObservations of subcritical superhar monic and chaotic response in rotor dynamicsJ ASME Journal of Vibration and Acoustics，1992，1 14 (1)：93一100 Analysis of AmplitudeFrequency

17、Characteristic in a DualDisc overHung RotorBearing System WANG Z enghao ，L U D口Yen ，FAN Gaiyan ，SU Xiguo (1School of Science，Shenyang Jianzhu University，Shenyang 110168，China；2Editorial Department of Journal of Shenyang Jianzhu Univosty；3Library of Shenyang Jianzhu University，Shenyang 110168，China)

18、Abstract：To clarify the amplitude frequency characteristics of rotorstator boxwith local rubbing，a model with double disces and eight degrees of freedom for studying the response of rotor and stator box is present edthe result shows that：1There are two critical speeds in rotor system；2The damping ca

19、n effectively at tenuate vibration；3When the damping reach to a value，the effect of effective vibration was not obvious for increasing damping further；4Damping can decrease the amplitude at the undamped critical speeds and in creases the damped critical speed；5Damping had narrow working speed scope；

20、6Rubbing increase the crit ical speed and resonance amplitude；7At low frequency，amplitude j umping appears；8With the clearances going down gradually，Phenomenon of amplitude jumpin can be further composed；9Due to topological structure in rotor system has been varied within the speed range of amplitude jumping，so that Chaotic mo tion can occurA new method was provided for chaotic motion study Key words：rotorbearing system；amplitudefrequency characteristic；impact and rubbing；amplitude iumping