复杂转子系统动力学行为研究

论文摘要

大型组装式离心压缩机组包含多根平行转子-轴承系统,通过齿轮箱和联轴器实现动力耦合。随着机组向高速化、轻型化、复杂化方向发展,迫切需要完善系统动力学模型及进行动力学行为研究,为提高机组的稳定性、安全性和可靠性提供理论和工程指导。本文以大型组装式离心压缩机组转子动力学建模与求解为工程背景,主要围绕紊流工况非线性油膜力及其Jacobi矩阵求解、可倾瓦轴承动力学模型、多平行转子-轴承系统建模及非线性动力求解几个方面,进行动力学建模及相应高效求解算法研究。本文研究工作在理论和应用上取得了一些创新成果,对复杂转子-轴承系统动力特性研究及其工程应用具有积极的意义。具体地,本文主要研究内容和研究成果可以分为以下几方面：（1）利用二阶线性椭圆型偏微分方程等价变分不等方程理论,针对紊流工况Reynolds方程,提出了一种联合求解紊流非线性油膜力及其Jacobi矩阵快速算法。考虑到轴承侧端压力不等于零工况,选取权函数和线性插值函数乘积形式作为油膜压力函数,建立有限元离散化的一维变分不等方程。利用修正的追赶法求解油膜压力及其导数,无需迭代自动满足油膜自由边界条件。（2）考虑到瓦块绕支点摆动和沿几何预载荷方向微幅振动,对于n瓦可倾瓦轴承首次建立了包含2n+2个自由度的可倾瓦轴承完整动力学解析模型。通过建立固结与瓦块的随动坐标系和可倾瓦轴承总体坐标系,全局广义位移向量和力向量可以简练地转换到局部随动坐标系下位移向量和力向量,进而通过求解局部坐标系下的油膜力及其Jacobi矩阵扩充、叠加得到系统的广义油膜力向量及其Jacobi矩阵。对于可倾瓦轴承承受静载荷工况,给出了一种求解静平衡方程的快速算法,可以快速计算得到轴颈和瓦块的静平衡位置同时得到系统的刚度和阻尼系数矩阵。当设定轴颈和瓦块扰动频率,给出了缩聚可倾瓦轴承完整动力特性系数得到八个简化当量刚度系数和阻尼系数的计算方法。（3）利用有限元方法,建立了比较完善的齿轮啮合多平行转子轴承系统动力学模型。针对转子-轴承系统为局部高维非线性动力系统特点,考虑了广义非线性力影响,提出了一种二次规范降阶方法,通过两次规范降阶把原高维系统转化为与之等价的低维系统,采用配套的打靶法求解低维系统的周期解并通过Floquet定理来判断周期解的稳定性,周期解失稳后采用直接数值积分方法求解系统的长期动力响应。（4）针对复杂转子系统动力特性的研究,根据本文对轴承—转子系统的求解算法分析,编写了相关的计算程序,对可倾瓦轴承-转子系统和某工程组装式PTA离心压缩机组,进行了线性动力特性分析和非线性动力特性分析,验证了本文模型及算法的有效性及实用性。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 目录
• 第一章 绪论
• 1.1 本文研究的目的和意义
• 1.2 滑动轴承动力学研究概述
• 1.2.1 油膜润滑理论发展历史
• 1.2.2 Reynolds方程求解方法综述
• 1.2.3 Reynolds方程的变分求解
• 1.3 可倾瓦径向滑动轴承研究概述
• 1.3.1 可倾瓦轴承结构及发展历史
• 1.3.2 可倾瓦轴承动力学建模研究
• 1.3.3 倾瓦轴承-转子动力学研究
• 1.4 转子系统动力学研究概述
• 1.4.1 转子动力学发展历史
• 1.4.2 复杂转子动力系统建模
• 1.4.3 系统自由度缩聚
• 1.4.4 转子系统稳定性分析
• 1.4.5 非线性转子动力学
• 1.5 本文研究内容
• 第二章 紊流非线性油膜力及其Jacobi矩阵求解
• 2.1 引言
• 本章主要术语表
• 2.2 紊流Reynolds方程
• 2.3 变分法理论基础
• 2.4 一维变分不等方程求解方法
• 2.4.1 一维变分不等方程
• 2.4.2 一维变分不等方程求解
• 2.5 油膜力及Jacobi矩阵求解
• 2.6 计算算例
• 2.6.1 单块瓦油膜力计算对比分析
• 2.6.2 油叶型轴承非线性油膜力求解
• 2.7 小结
• 第三章 可倾瓦轴承完整动力学建模与求解
• 3.1 引言
• 本章术语表
• 3.2 可倾瓦轴承结构及支点刚度系数计算
• 3.2.1 可倾瓦轴承及瓦块支点结构
• 3.2.2 瓦块支点刚度计算
• 3.3 可倾瓦轴承完整动力学模型
• 3.3.1 单块瓦动力学模型
• 3.3.2 单块瓦非线性油膜力及Jacobi矩阵
• 3.3.3 整体油膜力及其Jacobi矩阵
• 3.4 可倾瓦轴承动力特性系数计算
• 3.4.1 静平衡位置求解
• 3.4.2 缩聚刚度、阻尼系数计算
• 3.4.3 刚性转子线性稳定性分析
• 3.5 算例分析
• 3.5.1 瓦块支点刚度、阻尼系数对缩聚动力系数的影响
• 3.5.2 系统稳定性分析
• 3.6 小结
• 第四章 复杂转子系统建模及二次规范降阶求解
• 4.1 引言
• 4.2 转子-轴承-齿轮有限元模型及方程建立
• 4.2.1 轴段单元
• 4.2.2 集中质量单元
• 4.2.3 齿轮副单元
• 4.2.4 系统整体运动方程
• 4.3 线性稳定性分析
• 4.3.1 线性化处理
• 4.3.2 复模态分析
• 4.3.3 特征问题求解
• 4.3.4 不平衡响应分析
• 4.4 非线性求解及稳定性分析
• 4.4.1 二次规范降阶
• 4.4.2 周期解稳定性理论
• 4.4.3 周期解求解及稳定性判断
• 4.5 转子-轴承系统动力响应计算步骤
• 4.6 小结
• 第五章 复杂转子系统动力学模型工程应用
• 5.1 引言
• 5.2 可倾瓦轴承转子系统动力学分析
• 5.2.1 转子有限元模型
• 5.2.2 线性稳定性分析
• 5.2.3 非线性动力特性研究
• 5.2.4 降阶模型精度及轴承参数对系统动力稳定性的影响
• 5.3 某组装式PTA压缩机组转子动力学研究
• 5.3.1 PTA机组系统模型及参数
• 5.3.2 轴系扭振分析
• 5.3.3 不平衡响应分析
• 5.3.4 稳定性分析
• 5.4 小结
• 第六章 结论与展望
• 6.1 全文总结
• 6.2 本文创新点
• 6.3 研究展望
• 参考文献
• 致谢
• 附录 攻读博士学位期间完成的学术论文