转子系统存在油膜力与碰摩双重非线性振动分析

轴承不对中-碰摩耦合故障下双转子系统非线性振动特性分析聂彦春;蔚建辉;张雷克;王雪妮;张金剑;唐华林
【期刊名称】《机械强度》
【年(卷),期】2024(46)3
【摘要】为揭示因轴承不对中导致的故障转子系统振动特性,基于坐标变换关系,推导了轴承不对中下转子偏转位移表达式。

在此基础上,建立了综合考虑碰摩力、油膜力等外激励影响下双盘转子轴承不对中-碰摩耦合故障系统动力学模型,采用数值方法研究了转速及质量偏心对系统动态特性的影响。

结果表明,轴承不对中故障会增加系统碰摩发生可能性、恶化轴系振动并加大系统非稳态运动范围。

虽然不对中量的加入可在一定程度上延缓系统因参数变化引起的失稳运动,但据此产生的振幅增加与系统安全运行目标相悖,故应采取必要措施对轴承不对中故障加以控制。

相关结论可为转子-轴承系统振动状态识别及稳定性分析提供有益借鉴。

【总页数】9页(P518-526)
【作者】聂彦春;蔚建辉;张雷克;王雪妮;张金剑;唐华林
【作者单位】山西中部引黄工程建设管理有限公司;太原理工大学水利科学与工程学院;大连理工大学水利电力研究所;中国水利水电开发有限公司
【正文语种】中文
【中图分类】TV734;TH213
【相关文献】
1.双盘转子轴承系统不对中-碰摩耦合故障分析
2.不平衡-碰摩-不对中故障耦合作用下柔性转子-滚动轴承系统动力学分析与实验
3.滚动轴承转子系统不对中-碰摩耦合故障非线性动力学分析
4.转子-滑动轴承系统不对中-碰摩耦合故障分析
5.转子-滚动轴承系统不对中-碰摩耦合故障动力学分析
因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。

《不对中和碰摩耦合故障下转子系统动力学分析》篇一一、引言转子系统是众多机械设备中的核心部分，其稳定性和动力学特性直接关系到设备的运行效率和安全性。

在实际运行中，转子系统常常会遇到不对中（Misalignment）和碰摩（Rubbing and Contact）等故障问题。

这些故障不仅会降低系统的运行效率，还可能引发严重的安全事故。

因此，对不对中和碰摩耦合故障下的转子系统动力学分析显得尤为重要。

本文旨在探讨不对中和碰摩耦合故障对转子系统动力学特性的影响，为实际工程应用提供理论支持。

二、不对中故障下的转子系统动力学分析不对中故障是转子系统中常见的故障之一，主要表现为转子轴线之间的角度偏差或平行度偏差。

这种偏差会导致转子系统产生额外的弯矩和剪切力，从而影响系统的动力学特性。

首先，我们建立不对中故障下转子系统的动力学模型。

通过引入不对中参数，描述了转子系统的运动方程。

然后，利用数值模拟方法，对不同不对中程度下的转子系统进行了动力学分析。

结果表明，随着不对中程度的增加，转子系统的振动幅度和频率都会明显增加，从而降低了系统的稳定性。

三、碰摩故障下的转子系统动力学分析碰摩故障是另一种常见的转子系统故障，主要表现为转子与定子之间的接触或摩擦。

这种接触或摩擦会导致转子系统产生局部高温、磨损甚至损坏。

在碰摩故障下，我们同样建立了转子系统的动力学模型。

通过引入碰摩力，描述了转子系统的运动方程。

通过数值模拟和实验验证，我们发现碰摩故障会导致转子系统的振动模式发生改变，产生高频振动和低频波动。

此外，碰摩还会导致转子系统的能量损失和效率降低。

四、不对中与碰摩耦合故障下的转子系统动力学分析在实际工程中，不对中与碰摩往往同时存在，形成耦合故障。

这种耦合故障对转子系统的动力学特性产生更为复杂的影响。

在不对中与碰摩耦合故障下，我们综合分析了两种故障对转子系统的影响。

通过建立更为复杂的动力学模型，描述了转子系统的运动方程。

结果表明，耦合故障会导致转子系统的振动更加剧烈，出现多种振动模式共存的现象。

转子-轴承系统的润滑与碰摩特性分析杨令康;朱汉华;贺立峰【摘要】在同时考虑轴承油膜力、非线性密封力对碰摩转子影响的基础上,建立了多因素耦合的碰摩转子系统动力学模型.对转子系统在运行过程中的非线性碰摩行为进行了数值仿真,发现随着转子激励频率的增加,系统响应呈现出周期运动和拟周期运动交替出现,最后到达混沌运动及其演变过程.%Taking into account the bearing oil film force, non-linear sealing force on the rub-impact rotor system, a dynamic model of rub-impact rotor system with multi-factor coupled was established.Numerical simulation of the rotor system in the rubbing behavior find out that with the increase in rotor speed, system response showing a periodic motion and quasi-periodic motion alternately, and finally to the chaotic motion and its evolution.Some theoretical basis for rotor -bearing system with rubimpact fault diagnosis were provided.【期刊名称】《武汉理工大学学报（交通科学与工程版）》【年(卷),期】2011(035)003【总页数】4页(P595-598)【关键词】转子系统;碰摩;非线性;分岔;混沌【作者】杨令康;朱汉华;贺立峰【作者单位】武汉理工大学能源与动力工程学院,武汉430063;武汉理工大学能源与动力工程学院,武汉430063;武汉理工大学能源与动力工程学院,武汉430063【正文语种】中文【中图分类】O322大型旋转机械中转子与定子之间的碰摩是一种严重的故障现象.船舶轴系的在运行过程中，受到来自柴油机和船体外部的螺旋桨的周期激励作用，另外由于船舶尾轴自身的重力作用，使得尾轴的运行工况复杂，轴承与轴颈之间的碰撞与摩擦更是常见的现象.对于油膜震荡引起的转子失稳、分岔、碰摩问题一直是国内外学者关注的焦点问题.如袁惠群等研究了具有非线性碰摩力的转子局部碰摩的分岔与混沌运动，并与实验结果进行比较［1］.罗跃纲等构造了具有碰摩故障转子－轴承系统的动力学模型，同时考虑转轴非线性弹性力和轴承油膜力的共同作用，对系统运行过程进行数值仿真分析［2］.Chu F.等研究了转子－轴承系统发生转定子碰摩时的振动特性，揭示了系统进入和离开混沌的路径［3］.Shen Xiaoyao和Jia Jiuhong 等［4－5］对转子弯曲和质量不平衡时的碰摩进行了研究.另外，转子－轴承系统中密封力也影响着转子的动力学行为［6］，所以在研究转子－轴承系统的碰摩特性时考虑系统密封力的作用，显得更加重要.借助非线性动力学的理论和数值分析的方法，综合国内外转子碰摩的研究成果，在同时考虑轴承非线性油膜力、碰摩力和密封力耦合作用的基础上，建立了轴承－转子－密封系统的碰摩动力学模型，分析系统的非线性动力学特性.1 动力学模型和运动微分方程建立如图1所示的转子－轴承系统动力学模型，转子两端采用滑动轴承支承，转轴在左、右端轴承处的集中质量分别为m1和m3，在圆盘处的等效集中质量为，圆盘与轴承之间为无质量弹性轴连接.右端采用长轴承油膜力模型，左短采用短轴承油膜力模型.其中：f1x，f1y为左端滑动轴承作用在轴颈上的油膜力；f2x，f2y为右端滑动轴承作用在轴颈上的油膜力.由于船舶尾轴自身的重力和外面悬挂螺旋桨的重力作用，使得右轴承与轴颈间的碰摩现象经常发生，故碰摩力Px，Py作用在右轴承处.利用功的互等定理，将密封激振力Fx，Fy等效作用在右轴承处.O1为左轴承的几何中心，O2为圆盘的几何中心，为圆盘的质心，O3为右轴承的几何中心.图1 转子－轴承系统碰摩动力学模型1.1 轴承油膜力1）端滑动轴承作用在轴颈上的油膜力f1x，f1y采用短轴承假设条件［7］，其油膜力表达式为式中为Sommerfeld修正数.其中，u为润滑油动力粘度系数；c为轴承半径间隙；L为轴承长度；R为轴承半径.2）由于一般情况下船舶尾轴的长径比较大，故右端轴承采用长轴承理论计算，这时认为由于油膜压力沿周向的变化率比沿轴向的大得多，得到长轴承模型的Reynolds方程为［8］按长轴承理论计算径向油膜力Fe和切向油膜力Fφ的公式为式中其中右端轴承的油膜力的水平分量f2x、铅垂分量f2y于径向油膜力Fe、切向油膜力Fφ之间的关系为1.2 碰摩力假设滑动轴承与轴颈之间的间隙为δ，当转轴与定子发生碰摩时，不考虑摩擦产生的热效应.且假定碰撞过程为弹性变形，则碰摩力表达式为［9］式中为右端轴颈中心的径向位移；kc为轴瓦的径向刚度；f为摩擦因数.1.3 密封力密封力即转子－轴承－密封系统中流体激振力是影响转子运动特性诸多因素中不可忽视的一个，Muszynska密封力模型认为流体作用力与流体一起以平均角速度τω转动，同时也表达了密封力对转子的扰动运动具有惯性效应、阻尼效应和刚度效应，能较好地反映密封力的非线性特性，其正确性在应用中得到了普遍认可［10］.其模型为式中：K，D，mf分别为密封力的当量刚度、当量阻尼和当量质量；K，D，t均为扰动位移X3，Y3的非线性函数.其表达式为式中为转子的相对偏心距；n，b，τ0用来描述具体的密封参数.1.4 系统运动微分方程设转子－轴承系统的左端的径向位移为x1，y1转盘处的径向位移为x2，y2，右端的径向位移为x3，y3.则系统的运动微分方程可以表示为2 数值计算及结果从运动方程式（9）可以看出，碰摩转子－轴承系统的非线性油膜力、碰摩力和密封力具有强非线性的特性，很难得到解析解，故采用数值仿真方法来分析系统在不同参数下的振动响应，从而说明系统的润滑与碰摩的非线性动力学行为特性.设置系统的参数为：m1＝100kg，m2＝80 kg，m3＝200kg，c1＝5 000N·s·m －1，c2＝2 000N·s·m－1，k＝5×106 N／m，c＝0.2mm，r＝0.06mm，δ＝0.2mm，kc＝5×106 N／m，f＝0.1.从图2中可以看出碰摩转子系统响应存在着倍周期运动、拟周期运动和混沌运动等复杂的非线性特性.随着激励频率的提高，系统经历了由单倍周期运动、多倍周期运动、拟周期运动到混沌运动的过程.为了更加清晰地了解这些运动，选取不同激励频率下的时程图、频谱图、转子中心轨迹图和映射图来分析.图2 碰摩转子响应随激励频率ω变化的分岔图图3 ω＝266rad／s时碰摩转子系统响应图4 ω＝346rad／s时碰摩转子系统响应图5 ω＝464rad／s时碰摩转子系统响应图6 ω＝576rad／s时碰摩转子系统响应从图3可以看出转子系统做周期1运动，转子的运动轨迹呈现一个封闭的圆，频谱图上出现一个明显的峰值，映射图上只出现一个映射点.随着转速的增加出现拟周期运动，如图4所示：轴心轨线围绕周期轨道形成非常接近但不重复的轨线族，映射图上存在不变环面吸引点，代表出现拟周期运动.当转速提高到ω＝464rad／s时，碰摩转子系统又呈现出2倍周期运动如图5所示，时程图上中的波形具有明显的周期重复性，且不同于一般的正弦或者余弦波形，这是由于碰摩转子系统的振动具有较强的非线性所致；在频谱图上出现了2个明显的尖峰，映射图上有2个孤立的映射点，轴心轨迹线呈现出2个不重合的圆更加说明了转子响应处于周期2运动状态.随着转速的提高，当转速到达ω＝576rad／s时碰摩转子响应出现了混沌运动的特证如图6所示，与周期运动的离散映射点和拟周期运动的连续封闭曲线完全不同，映射图存在奇怪吸引子图形，代表着混沌运动；幅值频谱图上出现一些较明显的不可公约连续谱成分，而且频带较宽，这些足以说明此时转子已离开周期2运动，进入到混沌运动.3 结论运用数值方法分析了具有非线性碰摩力的转子－轴承－密封系统的响应的分岔和混沌行为，同时考虑了轴承油膜力、碰摩力和密封力的耦合作图和庞加莱映射图从不同的侧面描述和揭示了用，数值仿真结果分别用时程图、频谱图、根轨迹转子系统的周期运动、拟周期运动和混沌运动和这些运动形式的转化与演变过程.在所研究的转子频率范围内，通过对碰摩转子系统的响应的研究发现：由于碰摩力矩与转子涡动的方向相反，摩擦会引起转子反向涡动，随着转速的提高转子响应呈现出拟周期和倍周期运动交替出现的现象，最后转子响应以混沌运动为主，形成了相对稳定的混沌运动的频率域范围.参考文献［1］袁惠群，闻邦椿，王德友.非线性碰摩力对碰摩转子分叉与混沌行为的影响［J］.应用力学学报，2001（12）：16－19.［2］罗跃纲，张松鹤，闻邦椿.非线性弹性转子－轴承系统碰摩的动态响应［J］.振动工程学报，2004（8）：91－93.［3］Chu F，Zhang Z.Bifurcation and shaos in a rub－impact Jeffcott rotor system［J］.Journal of Sound and Vibration，1998：210（1）：1－18. ［4］Shen Xiaoyao，Jia Jiuhong，Zhao Mei.Nonlinear analysis of a rub－impact rotor－bearing system with initial permanent rotor bow［J］.Arch Appl Mech，2008，78：225－240.［5］Shen Xiaoyao，Jia Jiuhong，Zhao Mei.Numerical analysis of a rub－impact rotor－bearing system with mass unbalance［J］.Journal of Vibration and Control，2007，13：1819－1834.［6］Mei Cheng，Guang Meng，Jiangping Jing.Non－linear dynamics of arotor－bearing－seal system［J］.Arch Appl Mech，2006，76：215－227. ［7］Adiletta G，Guido A R，Rossi C.Chaotic motions of a rigid rotor in short journal bearings［J］.Nonlinear Dynamics.1996：10（6），251－269. ［8］刘淑莲.转子－轴承系统非线性特性研究及油膜振荡的在线清除［D］.杭州：浙江大学材料化工学院化工机械研究所，2004.［9］闻邦椿，顾家柳，夏松波.高等转子动力学［M］.北京：机械工业出版社，2000.［10］Muszynska A，Bently D E.Frequency－swept rotating input perturbation techniques and identification of the fluid force models in rotor－bearing－seal systems and fluid handling machines［J］.J Sound Vib.，1990，143（1）：103－124.。

《不对中和碰摩耦合故障下转子系统动力学分析》篇一摘要本文主要研究了不对中和碰摩耦合故障下转子系统的动力学特性。

通过建立动力学模型，分析了不对中与碰摩故障对转子系统的影响，并探讨了系统在耦合故障下的振动特性及响应。

研究结果有助于深入了解转子系统的运行状态，为实际工程中转子系统的故障诊断与维护提供理论依据。

一、引言转子系统作为许多旋转机械的核心部件，其稳定性和可靠性对于整个设备性能具有至关重要的作用。

不对中与碰摩是转子系统常见的两种故障类型，当这两种故障耦合时，将对转子系统的动力学行为产生复杂影响。

因此，对不对中和碰摩耦合故障下转子系统的动力学分析具有重要的理论意义和实际应用价值。

二、动力学模型建立为了研究不对中和碰摩耦合故障下转子系统的动力学特性，我们建立了相应的动力学模型。

该模型考虑了转子系统的刚度、质量、阻尼以及不对中与碰摩故障的耦合效应。

通过拉格朗日方程，建立了转子系统的运动微分方程。

三、不对中故障对转子系统的影响不对中故障是指转子系统中轴线之间存在角度偏差或偏移量。

在模型中引入不对中参数，分析了其对转子系统动力学特性的影响。

研究结果表明，不对中会导致转子系统出现额外的激励力，增加系统的振动幅值和频率，同时可能导致系统的不稳定运行。

四、碰摩故障对转子系统的影响碰摩故障是指转子系统在运行过程中与静止部件或另一根转子发生接触摩擦。

通过模型分析发现，碰摩故障会导致转子系统产生局部或全局的振动，且振动频率与碰摩程度密切相关。

此外，碰摩还会导致转子系统的热变形和材料磨损，进一步影响系统的动力学行为。

五、不对中与碰摩耦合故障下的动力学分析当不对中与碰摩两种故障耦合时，转子系统的动力学行为变得更加复杂。

通过模型分析发现，耦合故障会加剧系统的振动，可能导致更严重的热变形和材料磨损。

此外，耦合故障还会影响系统的稳定性，使系统更容易出现失稳现象。

因此，在实际工程中，需要对转子系统进行定期检查和维护，以避免或减少这两种故障的发生。

卫星陀螺仪滚动轴承—转子系统非线性振动分析卫星陀螺仪滚动轴承—转子系统非线性振动分析摘要：卫星陀螺仪作为现代导航、定向和控制系统中重要的部件之一，具有关键的重要性。

而滚动轴承—转子系统作为卫星陀螺仪的核心，承载着陀螺仪的旋转转子，其振动特性对陀螺仪的性能和寿命具有重要影响。

本文通过分析卫星陀螺仪滚动轴承—转子系统的非线性振动特性，旨在提供更为准确的设计和优化方案，以提高卫星陀螺仪的性能和可靠性。

1. 引言卫星陀螺仪作为一种惯性导航设备，可以测量和维持卫星的方向和角速度，广泛应用于航天、航空、导弹等领域。

陀螺仪的精度和性能对于导航和定位的准确性至关重要。

而滚动轴承—转子系统作为卫星陀螺仪的核心部件，负责支撑和转动陀螺仪的旋转转子，其振动特性对整个系统的性能和寿命具有重要影响。

2. 滚动轴承—转子系统的建模与参数估计为了分析滚动轴承—转子系统的非线性振动，我们首先需要建立一个准确的数学模型，并对模型中的参数进行估计。

在建模过程中，我们考虑了滚动轴承的几何和材料非线性、陀螺仪转子的材料和几何特性等因素，并通过实验测定和理论计算来估计模型中的参数。

3. 滚动轴承—转子系统的振动特性分析基于建立的滚动轴承—转子系统数学模型，我们进行了振动特性的分析。

通过数值仿真和实验测试，我们得到了转子系统的固有频率、振动模态和振动幅值等参数，并进一步分析了不同转速和加载条件下系统的振动响应。

4. 非线性振动机制分析在研究滚动轴承—转子系统的振动特性时，我们发现了系统中存在的非线性振动现象，如转子的共振现象、摩擦力对振动特性的影响等。

通过对这些非线性振动机制的分析，我们可以更好地理解并预测滚动轴承—转子系统的振动行为。

5. 优化设计方案针对滚动轴承—转子系统的非线性振动问题，我们提出了一些优化设计方案。

例如，可以通过改变轴承的几何结构和材料，优化转子的结构和动平衡等方法，来降低系统的振动幅值和共振频率，提高系统的性能和可靠性。