论文摘要
涡轮增压器通过增压增加了气缸的进气量,使燃油燃烧得更多更充分,提高燃油的经济性,增加发动机的输出功率,极大地改善了发动机的性能,因而获得了广泛的应用。涡轮增压器是发动机的重要子系统,其工作性能、使用可靠性和稳定性有着很高的技术要求。涡轮增压器转子转速快,工作温度高。此外,由于涡轮增压器是安装在发动机上的,相比于涡轮增压器转子的高速旋转,发动机运转时产生的低频的大位移的振动会通过油膜轴承传递给涡轮增压器的转子。尽管发动机的振动频率远远低于涡轮增压器转子的转速,但这些振动还是会通过非线性油膜轴承对涡轮增压器的转子振动产生很大的影响。传统的转子动力学研究主要是针对地面旋转机械的,并假设基础的刚性足够大且是固定不动的。对于涡轮增压器这样的转子系统,这种假设显然是不太合理的,必须考虑基础振动的影响。因此,考虑到涡轮增压器转子的高速高温的工作条件,加上发动机基础激励的影响,对涡轮增压器进行转子动力学研究就显得非常重要。本论文旨在研究考虑基础激励的涡轮增压器转子动力学建模与分析方法,进行发动机对涡轮增压器的基础激励辨识,开展发动机–排气管–涡轮增压器系统的模态分析,探讨基础激励与非线性油膜力耦合作用下的转子动力学问题,应用有效方法实现系统仿真,提供在基础激励作用下的故障诊断和状态监测方法。论文的研究围绕这些内容展开。对于本文应用三种方法进行了发动机对于涡轮增压器的基础激励的辨识。第一,考虑到发动机给涡轮增压器转子的基础激励是通过中间室和浮动轴承对转子起作用的,如果能得到发动机工作时轴承座（即中间室内部）的振动响应,就可以用它作为发动机的基础激励,进行涡轮增压器转子的动力学研究。然而中间室的温度高,振动响应不易测量。只在中间室的注油孔部位受润滑油的循环冷却作用温度较低,振动响应可以测量的。考虑到中间室是一个刚度很大的空心柱体,那么就可以假设中间室注油孔（即中间室外部）的振动响应就等同于中间室内部的振动响应,可以通过直接测量注油孔的振动响应方法获得发动机的基础激励。因此,通过对中间室的实验模态分析、中间室内部和外部的频响函数测定和比较以及振动台上中间室内部和外部的振动响应比较等方式,验证了中间室外部注油孔的振动响应与中间室内部的振动响应是等同的,因此可以用直接测量中间室外部振动响应的方法获得发动机对涡轮增压器转子的基础激励。第二,通过测量涡轮增压器可测量点的振动和激励点至这些可测量点的频响函数,利用频响函数矩阵求逆法得到轴承座内部难以测量的振动响应。对涡轮增压器进行自由悬挂实验和振动台实验验证了此方法的有效性和可行性,并且用来反演的可测量点越多,获得的不可测点的响应越精确。这是第二种获得基础激励的方法。第三,利用对发动机–排气管–涡轮增压器整体系统理论建模的方法,获得涡轮增压器中间室的响应。在对整体发动机悬置系统建立动力学模型时,将发动机整体系统分解成发动机主体和排气管+涡轮增压器两个子系统,发动机主体子系统用刚体运动建模,排气管+涡轮增压器子系统用实验和有限元模态分析相结合的方法建模,然后用自由界面模态综合法对各子系统进行综合,获得整体系统的固有频率和振动响应。计算得到的与实验测量的固有频率非常吻合,而计算得到的与实验测量的振动响应也很接近。在考虑基础激励的涡轮增压器转子动力学研究方面,主要包括三方面内容。第一,对涡轮增压器的转子建立线性动力学模型,进行进行转子的振动特性研究,包括模态分析和临界转速计算,以确保涡轮增压器的工作转速能远离转子的各阶临界转速,从而获得安全平稳的运行。计算得到的自由转子的固有频率和模态振型与实验结果非常吻合,验证了动力学模型的可靠性。此外,还对含基础的转子进行临界转速分析,研究不同的基础的质量和支承刚度对转子的临界转速的影响。计算表明,基础的质量和支承刚度只对基础自由度振动的固有频率有影响,而对转子的临界转速没有影响。第二,考虑发动机的基础激励和非线性油膜力,建立涡轮增压器转子–轴承系统的动力学方程,计算转子在偏心惯性力作用下的动力学响应,研究了转子随转速变化的分叉规律以及基础激励对转子非线性动力学行为的影响,并与没有基础激励时的转子动力学行为进行对比,发现考虑基础激励的转子动力学行为明显不同于没有基础激励的情况。基础激励会通过非线性油膜力非常显著的影响转子的动力学行为,例如基础激励会使转子振动响应产生众多分频和倍频成分,在低转速时会使原本单周期的运动变为周期2运动,基础激励会降低转子发生油膜涡动和混沌运动的转速。但由于基础激励本身的频率就比较低,基础激励对转子动力学的影响主要体现在转子转速较低的阶段,随着转子转速的提高,基础激励的影响也逐渐减小。第三,研究含有裂纹故障和碰摩故障的转子在基础激励的作用下的动力学问题,提取在基础激励下的故障特征信息,进一步揭示基础激励对转子动力学的影响。研究发现,基础激励对裂纹转子的动力学响应有着复杂的影响,特别是转子开始发生油膜涡动的时候,基础激励的存在使裂纹力的作用更显著。基础激励的存在会增加转子发生碰摩的可能性,也会加剧转子碰摩的程度。最后,对全文的工作进行了总结,并对今后的研究方向进行了展望。
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标签：涡轮增压器论文; 基础激励论文; 载荷辨识论文; 频响函数求逆法论文; 模态综合论文; 转子动力学论文; 裂纹论文; 碰摩论文;