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耦合故障作用下转子-滚动轴承系统动力学分析及模拟实验研究

作　者: 马梁
导　师: 张俊红
学　校: 天津大学
专　业: 动力工程
关键词: 转子-滚动轴承系统柔性多体系统动力学控制模型联合仿真有限元分析不平衡-碰摩-不对中耦合故障转子故障实验模态实验
分类号: TH113
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
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内容摘要

随着科学技术日益发展,各类旋转机械的功率密度越来越大,其结构要求更加紧凑,导致故障发生率也随之增加,而转子系统是旋转机械的核心部件,一旦发生故障,将会造成重大的经济损失甚至人员伤亡,所以开展故障状态下转子-轴承系统动力特性的深入研究存在重要工程应用价值。本文以航空发动机转子实验台主轴系统为研究对象,以转子动力学与转子故障机理为研究基础,以研究耦合故障状态下主轴系统动力特性为目的,通过调试已搭建航空发动机转子实验台及故障模拟装置,处理分析所得实验数据并验证研究故障转子系统动力特性方法。主要内容如下:首先对故障转子-轴承系统动力特性分析的必要性进行阐述,针对国内外转子动力学发展、转子故障机理以及转子故障实验现状进行研究,并根据现有理论基础,确定对故障转子-轴承系统的动力特性研究方法。随后通过有限元方法分析实验主轴系统低频结构动力特性,将所得固有频率和振型与模态试验结果进行对比分析,掌握所研究对象固有结构动力特性并验证所建有限元网格模型可满足工程设计和后续分析的要求。基于上述工作基础,研究柔性转子-滚动轴承系统在不平衡-碰摩-不对中故障耦合作用下的动力学响应。即运用模态综合法建立柔性多体系统动力学模型,并自行编程建立非线性轴承力、碰摩力与不对中激振力模型,最终得到转子—滚动轴承系统的耦合故障柔性多体系统动力学控制模型。分析对比系统在各种故障耦合作用下的振动特征图。最后基于航空发动机转子实验台进行实验分析,通过设置典型机械故障模拟系统并设计耦合故障状态下转子实验方案,进行实验台振动测试,对实验数据进行对比分析和处理。本文将柔性多体动力分析与数值计算联合仿真法应用于建立不平衡-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模型,进行迭代求解,分析对比系统在各种故障耦合作用下的振动特征图,对典型故障转子振动特征初步掌握;并通过航空发动机转子实验台进行故障状态振动测试,处理所测实验结果,对故障状态下实验台振动特征进行分析,验证该模型耦合各故障力方法的正确性,并且分析当量不对中量与转子系统振动的关系。

全文目录

摘要  3-4
ABSTRACT  4-8
第一章绪论  8-15
  1.1 研究意义  8-9
  1.2 国内外研究现状  9-14
    1.2.1 国内外转子动力学研究概况  9-11
    1.2.2 国内外转子故障机理研究概况  11-12
    1.2.3 国内外转子故障实验研究概况  12-14
  1.3 本文研究内容  14-15
第二章主轴系统结构动力特性分析及模态实验研究  15-30
  2.1 引言  15
  2.2 有限元法基本求解过程  15-17
  2.3 模态分析法  17-19
    2.3.1 多自由度系统运动微分方程的建立  17
    2.3.2 特征方程及特征矢量的正交性  17-18
    2.3.3 频响函数与传递函数  18-19
  2.4 主轴系统有限元网格模型的建立  19-24
    2.4.1 三维几何模型的建立  19-20
    2.4.2 有限元网格模型的建立  20-21
    2.4.3 有限元计算模态分析  21-24
  2.5 模态试验分析  24-29
    2.5.1 试验所选测试仪器  24
    2.5.2 轴系测点布置及激振源的选择  24-25
    2.5.3 试验结构支撑方式的选择  25-26
    2.5.4 试验结果分析  26-29
  2.6 本章小结  29-30
第三章耦合故障下转子-滚动轴承系统柔性多体动力学分析  30-47
  3.1 引言  30
  3.2 柔性多体动力学分析法  30-34
  3.3 滚动轴承模型  34-35
  3.4 转子故障产生机理  35-37
    3.4.1 碰摩力模型  35-36
    3.4.2 转子不对中故障模型  36-37
  3.5 耦合故障转子-轴承系统柔性多体动力学计算  37-46
    3.5.1 无故障时系统动力学响应  37-39
    3.5.2 不平衡故障下系统动力学响应  39-40
    3.5.3 碰摩故障下系统动力学响应  40-42
    3.5.4 不对中故障下系统动力学响应  42-43
    3.5.5 碰摩与不对中耦合故障下系统动力学响应  43-46
  3.6 本章小结  46-47
第四章转子故障模拟实验研究  47-56
  4.1 引言  47
  4.2 航空发动机转子模拟实验系统  47-50
    4.2.1 基座支撑系统  47-48
    4.2.2 主轴系统  48
    4.2.3 电气系统  48-49
    4.2.4 供回油系统  49
    4.2.5 故障模拟系统  49-50
  4.3 航空发动机转子实验台振动测试  50-55
    4.3.1 总体方案设计  50
    4.3.2 测试系统与测点设计  50-52
    4.3.3 振动测试结果  52-55
  4.4 本章小结  55-56
第五章全文总结  56-58
  5.1 总结  56-57
  5.2 后续工作展望  57-58
参考文献  58-62
发表论文和科研情况说明  62-63
致谢  63

耦合故障作用下转子-滚动轴承系统动力学分析及模拟实验研究

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