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轴承—转子系统非线性动力学行为及其耦合调频技术研究

陈策  
【摘要】: 本文围绕轴承—转子系统的非线性行为及其耦合调频技术来进行研究工作。主要研究目的是深入了解轴承中润滑流体与转子流固耦合的机理,研究轴承润滑流体的流动情况、转子运动情况和轴承所受载荷等因素之间的关联性,观察和分析轴承—转子系统中复杂的非线性特征,进而通过耦合调频方法提高轴承—转子系统的稳定性。 结合滑动轴承雷诺方程的解析解和非线性油膜力的表达式,分析了滑动轴承低频涡动特性,同时讨论了不可压流动假设得到的雷诺方程解析解,对于气体润滑轴承的适用性,为气体润滑轴承的耦合调频试验建立了理论基础。通过论述轴承—转子系统中流固耦合原理及其调频的技术含义,进一步研究了轴承—转子系统“耦合调频”的概念。根据轴承—转子系统载荷平衡方程,完善了“工程稳定性”的判别准则。以耦合调频基本概念为理论基础,工程稳定性判据作为前提条件,论述了耦合调频的具体技术思路,从而为气体润滑轴承—转子系统的耦合调频试验提供了理论依据。 完成了动静压混合气体润滑轴承的起停—运行试验。从非线性动力学理论出发,分析了气膜涡动、振荡和失稳过程的非线性特征。验证了固有频率和气膜涡动频率之间的耦合所导致的气膜振荡,使得系统进入混沌振动状态的机理;观察到混沌振动的“有界”性质,以及气膜失稳导致碰摩的过程。根据耦合调频的基本思想,总结了以下调频措施:改变系统固有频率和气膜涡动频率之间的耦合关系,使得设计转速与气膜涡动和振荡发生的转速范围保持一定裕度;根据工程稳定性判据,有效的控制振幅及其变化趋势,并使得混沌振动的转速范围尽可能小;有效抑制气膜涡动的能量积聚以便避免气膜振荡,可以提高系统稳定性,避免气膜失稳的发生。这些分析为轴承—转子耦合调频提供了试验依据。 结合耦合调频基本原理和工程稳定性判据,对气体润滑轴承—转子系统进行了耦合调频试验。静态和动态调整的试验表明,通过调整轴承供气压力改变固有频率和气膜刚度,可以改变涡动频率与固有频率的耦合关系,说明低频涡动通过耦合调频方法是可以控制的;气膜振荡导致的低频涡动能量的俘获特征,对于轴承—转子稳定性是不利的;在气膜失稳转速区域施加适当的轴承压力,调节系统刚度,同时有效控制能量输入,避免低频涡动能量积累,可以控制低频和工频能量分配关系,避免低频能量俘获而出现碰摩失稳。观察分析了由于轴承设计刚度差异造成的“双低频”现象,并讨论了这种情况下耦合调频技术的应用。总结归纳了轴承—转子系统流固耦合的规律,进一步验证了耦合调频技术的有效性和实用性。


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