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转子—轴承系统非线性特性研究及油膜振荡的在线消除

刘淑莲  
【摘要】: 随着转子向高速、高功率、高可靠性等方面发展,在工程实际中出现的很多故障都与系统的非线性特性有关,因此转子的非线性振动越来越引人注目。作者在总结了前人大量的有关非线性振动研究工作的基础上,确立了本文的研究目标:一是以工程应用为背景,研究转子-轴承系统由非线性油膜力引起的非线性振动特性以及各种影响因素,力图通过对转子-轴承系统非线性振动特性的分析,找到切实可行的在线消除油膜振荡的办法;二是研究非线性油膜力的表达方法式,使非线性转子系统的不平衡量在线识别成为可能。本文结合转子动力学理论、模态降阶技术、电磁学理论以及数据采集技术等,通过数值分析和实验研究并重的方法,着重开展了以下几个方面的工作: 1.采用三次多项式作为瑞利函数,将轴作为连续梁处理,运用达朗伯原理结合Rize法建立了转子的运动方程。非线性油膜力则通过相应的位置矩阵耦合到系统的运动方程中去。这样的转子系统具有高维和局部非线性的特点,可采用变步长的Newmark积分法对系统的运动方程进行求解。 2.通过理论分析和实验测试,发现轴颈涡动中心不仅决定于轴颈转速和轴承静载荷,而且还与轴颈的涡动幅值或轴承动载荷有关。因此,在进行不平衡量在线识别或无试重动平衡时,如果采用不变的轴承动力系数或仅仅是随着转速变化的轴承动力系数,那么识别结果就会产生较大的误差。为了保证非线性转子系统的不平衡量一次性识别的可行性,同时又保证识别结果具有良好精度,作者在进行大量的分析研究工作后,提出了一种新的与轴承具体结构参数无关的非线性油膜力表达式,即将原来线性基础上的8个刚度阻尼系数按多项式的方法展开,形成油膜力关于扰动参数的三次多项式的表达方法。 3.运用数值积分的方法,对油膜振荡的发生、发展、失稳机理及诸多影响因素进行分析,从理论上深层次揭示工程实际中表现出来的油膜振荡形式的多种多样性。并在理论计算基础之上,实验测试了油膜涡动和油膜振荡的发生、发展过程及相关特征。通过理论计算和分析发现:提出了即使在较低转速的情况下,只要外激励(不平衡量)足够大,也有可能导致转子出现油膜涡动或者失稳的现象。这是线性理论不能解释的。 浙江大学博士学位论文 4.运用电磁轴承原理提出并设计了被动式电磁阻尼器。当转子一轴承系统失稳 或者出现低频涡动时,通过给被动式电磁阻尼器施加静态工作电流,能产生一定大 小的阻尼,抑制油膜振荡,从而增加系统稳定性。在理论计算的基础上还进行了实 验研究,在不停机的条件下,通过被动式电磁阻尼器成功地在线消除了系统的油膜 振荡。 5.在被动式电磁阻尼器的基础上,又进一步提出并设计了电磁执行器。该执行 器体积小,所产生的附加阻力矩也小。通过研究,确认它能对转子系统产生一个大 小不变,方向向下的电磁吸力。这相当于增大了轴承负载,从而降低了钟颈的乖动 中心,增加了系统的稳定性。在实验中作者成功地在线消除了系统的油膜振荡故障, 该方法简单而且可靠。


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