齿轮耦合的压缩机转子系统动力学特性研究

论文摘要

在含有齿轮传动的高速转子系统中,进行转子系统的动力学分析时应该充分的考虑到齿轮的啮合作用。齿轮间的径向力、切向力会同时引起转子系统的弯曲振动及扭转振动,即而引起转子系统的弯扭耦合振动。此外,转子系统因可能包含多个齿轮啮合单元,而各单元的齿轮形式不一,且因为各传递轴转速和转向也不尽相同,使得带有齿轮啮合的转子系统的耦合振动问题变得更加复杂。本文主要研究的是含齿轮压缩机转子系统的振动特性问题,即运用转子动力学理论和有限元理论,分别研究了压缩机子转子系统、整机转子系统在不同情况下的振动特性。本文的工作主要包括以下几个方面：(1)介绍了转子系统动力学的基本理论及本文所用到ANSYS相关单元,在对现有文献整理总结的基础上,推导了直齿轮及几种斜齿轮啮合刚度矩阵的具体表达形式。(2)建立了齿轮增速机的动力学分析模型,考虑在不同啮合刚度矩阵下系统固有特性的差别,并分析螺旋角及轮齿啮合刚度的变化对齿轮转子系统固有特性、稳定性及振动响应的影响。(3)通过对技术图纸的简化,建立了H518齿轮压缩机整机转子系统的有限元分析模型。并分别对高压端转子系统、低压端转子系统及整机转子系统的弯曲、扭转及弯扭耦合振动分别进行分析,研究因齿轮的啮合作用导致的系统固有特性的变化。(4)对系统进行稳定性分析,并根据API标准进行加载,进行不平衡响应分析,得到系统在不同加载方式下的振动响应情况。(5)推导了转子系统联轴器偏角不对中及平行不对中故障的动力学模型,介绍了两种不对中故障不对中力的计算方法,对不同程度不对中故障下转子系统的振动响应进行了仿真分析。最后得出因齿轮的耦合作用,含齿轮啮合的转子系统与单轴分析相比,会产生新的频率成分,振型也会发生变化。通过共振区、稳定性及响应分析确定H518压缩机组的工作安全。具有不对中故障的转子系统的振动频谱中会出现工频和二倍频成分,不对中越严重,二倍频所占比例越大；在不对中故障状态下,转子的轴心轨迹呈现香蕉形或内外八字形。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 研究的目的及选题依据
• 1.2 齿轮耦合转子系统动力学研究概况
• 1.3 联轴器不对中故障研究现状
• 1.4 本文的主要工作
• 第二章 齿轮-轴承-转子动力学基础理论
• 2.1 概述
• 2.2 转子动力学基本术语
• 2.2.1 模态
• 2.2.2 陀螺效应
• 2.2.3 CAMPBELL图
• 2.2.4 稳定性
• 2.3 齿轮—轴承转子动力学理论基础
• 2.3.1 动态特性的有限元方程推导
• 2.3.2 振动的固有频率计算
• 2.3.3 齿轮啮合刚度矩阵的建立
• 2.4 齿轮啮合刚度计算
• 2.5 单元类型和单元分析
• 2.5.1 梁单元
• 2.5.2 矩阵单元
• 2.5.3 质量单元
• 2.5.4 轴承单元
• 2.6 本章小结
• 第三章 H518压缩机组子系统动力学分析
• 3.1 概述
• 3.2 增速机固有特性分析
• 3.2.1 含有齿轮的单独轴段建模分析
• 3.2.2 齿轮耦合系统的固有特性计算分析
• 3.2.3 齿轮螺旋角对齿轮耦合系统的影响
• 3.2.4 轮齿啮合刚度对齿轮耦合系统的影响
• 3.3 高低压端转子系统固有特性分析
• 3.3.1 高压端转子系统固有特性分析
• 3.3.2 低压端转子系统固有特性分析
• 3.4 本章小结
• 第四章 齿轮压缩机组整机动力学分析
• 4.1 概述
• 4.2 整机系统建模
• 4.3 考虑齿轮啮合H518转子系统动力学特性计算
• 4.3.1 H518转子系统扭转固有特性计算
• 4.3.2 H518转子系统弯曲固有特性计算
• 4.3.3 H518转子系统弯扭耦合固有特性计算
• 4.4 系统稳定性分析
• 4.5 API标准加载下系统的不平衡响应
• 4.5.1 激励一下的系统的不平衡响应
• 4.5.2 激励二下的系统的不平衡响应
• 4.6 本章小结
• 第五章 H518整机不对中故障模拟
• 5.1 概述
• 5.2 联轴器不对中
• 5.2.1 联轴器不对中分类
• 5.2.2 联轴器平行不对中激振力
• 5.2.3 联轴器偏角不对中激振力
• 5.3 转子系统不对中故障振动响应研究
• 5.3.1 偏角不对中振动响应
• 5.3.2 平行不对中振动响应
• 5.4 本章小结
• 第六章 结论与展望
• 6.1 结论
• 6.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 附录1
• 附录2