单盘转子碰摩条件分析

简单转子系统单点碰摩故障研究作者：黄鹏常亮李大星来源：《中国科技博览》2015年第30期[摘要]本文以单跨双盘转子为研究对象，针对转子系统单点碰摩故障的周期性问题，建立了单跨双盘转子系统的集中质量动力学模型和运动微分方程，并考虑陀螺力矩的影响，运用Newmark-β数值算法研究了系统随转速变化的动力学行为。

通过碰瀑布图对系统单点碰摩的周期性特征。

通过研究发现，系统的单点碰摩响应主要为周期运动。

[关键词]单点碰摩；转子；周期特征；数值算法；集中质量中图分类号：U464.331+.1 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2015）30-0033-010 概述随着对旋转机械高转速高效率的要求越来越高，转子与定子的间隙越来越小，导致转子和定子间的碰摩故障经常发生，直接影响了高速旋转机械运行的可靠性和稳定性。

带有碰摩故障的转子系统是分段线性刚度的非线性振动系统，具有丰富的非线性动力学现象[1]。

国内外众多学者对简单转子系统的碰摩故障进行了研究。

马建敏等[2]对单盘转子系统碰摩运动规律进行了理论分析；袁惠群等[3]研究了非线性转子系统碰摩故障的分叉与混沌行为；张思进等[4]利用非线性理论通过建立转子系统碰摩的Poincare映射，将对非光滑碰摩系统的研究转化为对Poincare映射的分析；Zhengce Sun研究了Jeffcott转子系统碰摩故障引起的系统周期运动、拟周期运动和混沌运动特性；Q.-S.Lu用解析法和数值法研究了碰摩转子中周期运动的存在性。

本文以单跨双盘转子系统为研究对象，对转子系统升速时的周期运动进行研究，对系统周期运动发生变化时的多周期现象进行了说明。

1 碰摩转子模型的建立碰摩系统模型如图1所示。

碰摩点选在圆盘1处，主要研究圆盘1的动力学特性。

根据模型列出碰摩系统的运动微分方程：其中，u为系统的广义坐标向量；M为系统的质量矩阵；C为系统的阻尼矩阵[5]；G为陀螺矩阵；K为系统的刚度矩阵；P（t）为系统的广义力向量；Fr（u）为碰摩力向量。

单磨粒的转子配流盘摩擦磨损规律研究摘要：航空液压泵的故障问题中，柱塞泵中转子-配油盘摩擦副对于保持液压泵的容积效率非常重要，而磨粒磨损是造成其泄漏的主要原因。

现根据磨粒磨损理论，结合转子与配流盘间的实际情况，建立了磨粒磨损理论模型，提出了配流盘上磨粒的磨损量期望的理论计算方法。

由转子配流盘间的间距仿真结果，得出转子与配流盘间的间距呈周期性起伏。

并为磨损量的实时曲线仿真提出了可行的流程方案。

进行了数值计算，通过matlab仿真模拟了磨粒在磨损过程中的压入深度变化。

关键词：磨粒磨损;转子配流盘;摩擦学引言航空液压泵是飞机起飞、操纵、起落架收放和刹车的关键部件。

飞机液压泵一旦发生故障，轻则引起飞机液压系统不正常工作，重则造成机毁人亡，带来巨大的经济损失和不良的国际影响。

据统计，航空液压泵80%以上的故障是由于磨损污染造成的。

尤其是飞机液压系统向高压化方向发展，油液污染导致的液压泵磨损愈加显著[1]。

而在这磨损之中，柱塞泵中转子-配油盘摩擦副对于保持液压泵的容积效率非常重要，试验数据表明[2]，该摩擦副的泄漏量占液压泵全泵泄漏量的70%以上。

国内外大量学者都针对该摩擦副的磨损进行了大量研究工作。

一直以来，磨损是国内外摩擦学研究的重要部分。

人们对磨损机理的分析和理解也愈加成熟。

Jacobson等[3]建立了考虑多个磨粒同时作用的纯切削过程的统计学模型。

利用该模型研究了磨粒尺寸、载荷及工件表面硬度对磨损率的影响。

预测了发生接触的磨粒数量和磨损表面形貌。

方亮等人[4]为探讨三体磨料磨损中磨料颗粒粒径的分布对材料磨损性能的影响，通过试验结合正态概率分布坐标分析的方法，比较准确地得到磨料粒径的分布情况。

ArnoldIsmailov等[5]人用硬度不同的两种磨粒粉进行了磨损实验，发现对于硬度低的磨粒，滑行速度越快，越不易磨损。

对于硬度高的磨粒，速度越快，磨损越严重。

转子与配流盘间的磨粒磨损是一个非常复杂的过程，这是一个实时变化的随机过程，并且磨粒的分布也具有随机性。

摘要碰摩转子系统非线性动力学数值模拟分析摘要碰摩转子系统是旋转机械中最重要的部件，在工业领域中起着无法替代的作用。

随着技术的发展，旋转机械向着高速化、轻型化、高负荷方向发展，对旋转机械提出更高的要求，也给转子系统带来更多的非线性问题，推动了非线性科学以及转子动力学的发展。

目前，国内外大部分研究者利用非线性理论以及转子动力学对转子系统碰摩、裂纹以及松动等典型故障做出了大量研究，分析故障转子的分岔与混沌行为，但目前主要对故障转子单一故障研究较多，对耦合故障研究较少，实际中存在多种故障耦合作用对转子系统行为的综合影响。

本文由简入深地对故障转子系统进行研究，首先研究了只含有碰摩条件下，不考虑其它因素的故障转子，分析了频率比、偏心量对转子响应的影响；其次研究了含碰摩与裂纹耦合故障转子系统，考虑了材料的非线性以及油膜力作用，分析了裂纹深度、偏心量以及定子刚度对转子响应的影响；最后研究了碰摩-裂纹-松动耦合故障转子系统，分析了裂纹深度、定子刚度以及底座质量对转子响应的影响。

本文采用的方法是对微分方程进行无量纲化，采用4阶龙格库塔法对非线性微分方程进行数值模拟，采用分岔图、庞加莱映射图、轴心轨迹图、时域图、频域图分析了三种转子故障所表现出的不同的非线性动力学行为，理论上分析了产生非线性特性的原因，为进一步深入研究转子故障提供了理论依据。

最后，总结本文所做的主要工作，提出研究过程中的不足，为以后更好地研究转子故障提供方向以及研究趋势。

关键字：碰摩；裂纹；松动；庞加莱映射I昆明理工大学硕士学位论文AbstractResearching on the nonlinear dynamics of rub-impact rotor system by numerical simulationAbstractRotor system with rub-impact is the most important component of rotary machinery, which plays an irreplaceable role in the field of industry. With the development of technology, rotating machinery is towards high-speed, light-weight, high load direction, so the rotating machinery needs higher requirements and also brings about more rotor system nonlinear problems, promoting the developments of nonlinear science and rotor dynamics.At present, most of the researchers have made a lot of researches on typical faults of rubbing, crack and loosen by using the theories of nonlinear rotor system and rotor dynamics, analyzing bifurcation and chaos behaviors of rotor, but mainly studying on single fault of rotor more and on coupling fault less, the actual existence of various coupling faults of rotor system have comprehensive effected on nonlinear behavior.The rotor system fault was studied from simply to deeply, firstly studying the influence of rotor system only with rub-impact condition without considering other rotor faults by the frequency ratio and the deflection; secondly studying the influence of rotor system with the rub-impact and crack coupling faults, considering material nonlinearity and oil film force by the crack depth, the deflection and the stiffness of the stator; lastly studying the influence of rotor system with the coupling faults of rub-crack-loosen by the crack depth, the stiffness of the stator and the stator base quality of rotor, dynamics equations was established to analyze the nonlinear characters. The method of dimensionless was used in different equations and 4 order Runge-Kutta method was used to numerical simulate different nonlinear equations, the bifurcation diagram, Poincare map, chart of axis orbit, time domain, frequency domain were used to analyze the influence of rotor response. Corresponding different nonlinear dynamic behaviors caused by three kinds rotor faults were analyzed, theoretical analyzing the reasons for the generated nonlinear characteristics, whichIII昆明理工大学硕士学位论文IV provides a theoretical basis for further analyzing of the rotor faults.Finally, the main work was summarized in this paper and the insufficiency was putting forward in the research process, which were better for the future researching direction and provide failure research trends.Key Words: rub-impact; crack; looseness; Poincare map目录目录摘要 (I)Abstract (III)第一章绪论 (1)1.1 课题研究的目的和意义 (1)1.2 国内外发展现状 (2)1.2.1 转子动力学以及碰摩故障研究现状 (2)1.2.2 非线性动力学研究方法的研究现状 (3)1.2.3 非线性动力学理论研究现状 (4)1.2.4 转子系统的不平衡响应 (5)1.2.5 转子系统的状态监测与故障诊断 (6)1.3 本文的主要研究内容 (7)第二章非线性动力学理论基础 (9)2.1 分岔理论概述 (9)2.2 混沌理论概述 (9)2.3 碰摩模型概述 (10)2.4非线性微分方程的研究方法 (10)2.4.1 分岔图 (10)2.4.2 相图 (10)2.4.3 Poincare映射 (10)2.4.4 时域图 (11)2.4.5 频谱图 (11)2.4.6 李雅普诺夫指数 (11)2.5 非线性油膜力计算表达式 (12)2.5.1 非线性油膜力对转子响应的影响 (12)2.5.2 油膜力的线性化 (12)2.5.3 稳态短轴承油膜力表达式 (12)2.5.4 修正短圆瓦轴承油膜力表达式 (13)2.6 龙格-库塔法（Range-Kutta） (14)2.7 本章小结 (14)i昆明理工大学硕士学位论文ii 第三章 含有碰摩故障转子系统非线性动力学分析 (17)3.1碰摩概述 (17)3.2 碰摩转子系统动力学模型的建立 (18)3.2.1 碰摩力 (18)3.2.2 运动的微分方程 (19)3.3 碰摩转子系统非线性动力学分析 (19)3.3.1频率比λ对转子响应的影响 (20)3.3.2 偏心量对转子响应的影响 (24)第四章 考虑油膜力下碰摩-裂纹耦合转子系统非动力学分析 (31)4.1 轴的裂纹刚度模型描述 (31)4.1.1 开裂纹 (31)4.1.2 开闭裂纹模型 (31)4.2碰摩-裂纹耦合转子系统动力学模型的建立 (32)4.3 碰摩-裂纹耦合转子系统非线性动力学分析 (33)4.3.1 裂纹深度对转子响应的影响 (34)4.3.2 偏心量对转子响应的影响 (37)4.3.3 定子刚度对转子响应的影响 (44)4.4 本章小结 (50)第五章 考虑碰摩-松动-裂纹耦合故障转子系统非动力学分析 (53)5.1 碰摩-松动-裂纹耦合转子系统动力学模型的建立 (53)5.2 碰摩-裂纹-松动耦合转子系统非线性动力学分析 (55)5.2.1 裂纹深度对转子响应的影响 (55)5.2.2 偏心量对转子响应的影响 (59)5.2.3 定子刚度对转子响应的影响 (61)5.2.4 底座质量对转子响应的影响 (65)5.3 本章小结 (68)第六章 结论与展望 (71)6.1 本文的主要工作 (71)6.2 存在的问题 ..................................................................................... 71 致 谢 ............................................................................................................................... 73 参考文献 ........................................................................................................................ 75 附录A （攻读硕士学位期间发表的论文目录） (79)第一章绪论第一章绪论1.1 课题研究的目的和意义旋转机械是指航空发动机、汽轮机、压缩机等转子系统，广泛运用于机械、航空、电力等行业。

航空发动机转子不平衡下转静碰摩试验分析发布时间：2022-01-05T09:15:50.398Z 来源：《中国科技人才》2021年第21期作者：赵丹[导读] 据笔者调查研究显示，航空发动机转子不平衡问题的主要原因为发动机的风车不平衡所导致的。

湖南机场股份有限公司长沙机场分公司机务保障部 410137摘要：近年来，随着我国社会经济及社会科技的发展，我国航空领域也得到了快速的发展。

然而，在航空领域发展的过程中发现，航空发动机转子不平衡问题会导致发动机风车受到严重的损伤，极有可能引发较大的安全事故，因此，开展对航空发动机转子不平衡的研究尤为重要。

基于此，本文展开了对航空发动机转子不平衡下转静碰摩试验分析，希望对相关人员有所启示。

关键词：航空发动机转子；不平衡状态；转静碰摩试验；风车引言：据笔者调查研究显示，航空发动机转子不平衡问题的主要原因为发动机的风车不平衡所导致的。

当发动机的风车受外力作用下，风车会处于一种持续运转的不平衡状态，这就导致风车很容易受到损伤，并与发动机产生转静碰摩，这严重影响了航空发动机的正常使用。

因此，本文开展了对航空发动机转子不平衡下转静碰摩试验分析，在分析了模拟转子试验模型后对试验验证进行了分析，故而具有较大的可靠性。

1、航空发动机转子不平衡下转静碰摩概述近年来，随着我国航空领域的不断发展，我国的航空工业也得到了快速的发展，为了满足航空领域的发展需求，发动机的推质比越来越高，发动机的性能越来越好，这对我国航空事业的发展起到了不小的推动性力量。

就目前情况而言，我国航空工业为了能够使得发动机能够更好的为航空器提供动力来源，选择不断增加发动机叶片的尺寸，致使大涵道比涡扇发动机叶片尺寸越来越大。

从正反两面来讲，这虽然能在一定程度上提高发动机的运行能力，但这也会导致发动机对叶片、转子的依赖性进一步增强。

叶片一旦出现问题，将会对整个发动机产生较为严重的影响。

在实际发动机使用的过程中，由于会受到多种外界的干扰因素导致发动机的运行稳定性不佳，如气流、鸟撞等问题都会导致发动机受到损伤，更为严重时也会导致发动机叶片掉落，致使发动机的风车处于不平衡的运动状态，而此时发动机的风车将会产生碰摩，这就给整个航空器的使用安全性带来了严重的影响。