1.文献综述
转子-轴承系统是各种旋转机械的核心部件,广泛应用于机械,动力,航空航天等工程技术领域,随着科学技术的发展,旋转机械在向高速、重载和自动化方向发展, 对轴承-转子系统的稳定性、安全性提出了更高的要求。转子系统的振动故障主要表现为整机振动大,振动跳跃,转子部件产生疲劳裂纹,失效等等。一些初期微弱的振动故障通常不会直接危及飞行安全,但它可能会逐步造成发动机其他的结构故障。振动跳跃作为航空发动机转子系统的基本故障特征之一,不但对于航空发动机的运行稳定性与安全性可能带来极大的影响,而且其冲击作用也是基本机械件裂纹及疲劳破坏的重要诱导因素,相关资料显示我国现役某型航空发动机在高压转子前支承轴承处就曾多次出现超过故障判据的突跳现象,导致该发动机提前返厂修理。
滚动轴承的变刚度特性是转子-轴承系统的不可避免的参激源,大量学者研究发现,滚动轴承的VC振动具有典型的双稳态和振动突跳现象[1,2,3]。可是迄今为止对复杂激励下球轴承-转子系统的响应特性及其参数影响规律分析还有待深入研究。
有关滚动轴承-转子系统动力学问题的研究起始于上世纪五十年代,Yamamoto[4]在计及轴承径向间隙的情况下,求得了立式弹性转子系统的主共振解析解,重点研究了轴承间隙对共振曲线性态的影响规律。结果表明,转子系统的共振峰值和共振转速随着轴承径向间隙的增大而减小,且过大的轴承间隙可能引发共振曲线的跳跃行为。李洪亮,陈予恕亦研究了系统的固有频率与轴承间隙之间的关系。间隙的存在使得系统骨干曲线(固有频率)和共振曲线均具有分段特性。骨干曲线在轴承下间隙处发生突变,共振曲线在轴承间隙处表现为连续非光滑的连接点。轴承在一定的参数条件下,系统共振曲线呈现出一个向右侧的拐弯,振幅的变化存在跳跃和滞后现象。轴承刚度越大,共振曲线的拐弯也越大跳跃和滞后现象越明显[5]。
Fukata[6]等将赫兹接触非线性因素引入到球轴承模型中,研究了对称简支情况下水平刚性平衡转子的非线性振动行为,揭示了系统中存在的超谐波、亚谐波和混沌运动现象等。 Saito[7]在考虑轴承间隙和赫兹接触非线性因素的基础上,给出了球轴承支承力的近似表达式,利用增量谐波平衡法计算了球轴承支承的水平Jeffcott转子的非线性不平衡响应,研究了不同速度区间上转子系统的共振行为,发现该系统在水平与竖直方向上存在两种不同的非线性特性,即水平方向上的硬弹簧特性和竖直方向上的软弹簧特性。张智勇等 [8-10]针对球轴承支承的刚性转子系统,采用带弧长延拓的谐波平衡法一时频域转换技术追踪到系统的周期解,分析了奇异点处系统的动力学分岔行为,发现系统水平方向上存在软硬共存特征,竖直方向上存在软弹簧特征,并解释了系统在接触共振区的亚谐分岔机理,最后给出了三种通向混沌运动的典型途径:阵发性途径、概周期环面的倍化分岔和吸引子的合并激变。
张智勇、陈予恕等[11-14]在Sunnersjo C S等学者的基础上,应用HB-AFT方法,研究了包含赫兹接触非线性、轴承间隙非线性的经典两自由度深沟球轴承模型的VC振动,对轴承VC振动的回滞跳跃、分岔和混沌运动等典型非线性动力学行为进行了深入探讨分析,同时也发现恒定重载荷(定常载荷)造成竖直方向为 Hertz接触软滞后动力学特性,水平方向出现软硬共存的交叉特性。
Nikolajsen[15]指出转子系统中轴承的绝对对中是不存在的,并介绍了采用影响系数法、传递矩阵法和有限元方法来计算轴承载荷及不对中量的过程,进而研究了轴承不对中对转子系统运动稳定性的影响。李明和李自刚[16-19]对非线性油膜力作用下的柔性不对中转子系统进行了深入的动力学研究,发现系统中存在分岔与混沌等复杂的动力学行为,而后对联轴器不对中故障进行了试验研究。李洪亮[20]球对轴承-不对中转子系统的非线性振动特性作了研究。下图是设计搭建的转子-球轴承系统不对中故障实验台。
转子-球轴承系统不对中故障实验台
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