挤压油膜阻尼器-滚动轴承-转子系统非线性动力学研究

摘要

挤压油膜阻尼器是航空发动机中常用的一种减振装置，位于轴承与轴承座之间，在间隙中充满滑油以吸收振动能量。与其它阻尼结构相比具有体积小、质量轻的特点，但同时油膜力与轴颈速度和位移呈非线性关系，对参数设计要求较高，在相关研究中多次报告系统出现“双稳态”突跳、非协调响应以及与故障并发的概周期甚至混沌运动等。目前其参数设计，基本上采用试算方法或实验方法，缺乏从机理分析上得到合理参数的手段，并且对于挤压油膜阻尼器与其它非线性因素耦合问题的研究及各类复杂现象与参数间的关系也有待进一步挖掘。因此，从理论上研究参数与非线性现象之间的对应关系，深入讨论挤压油膜阻尼器在多种情况下的减振性能，抑制有害非线性行为，具有重要理论价值和现实意义。本文通过建立不同类型的挤压油膜阻尼器-转子系统模型，从机理上分析系统的分岔特性，在此基础上研究包含挤压油膜阻尼器的双频激励转子系统、参数激励与外激励联合作用转子系统的非线性特征。本研究主要内容包括：
　　⑴建立挤压油膜阻尼器-刚性转子的动力学模型，采用短轴承理论的雷诺边界条件的油膜力模型，针对其使用平均法近似解析分析，得到分岔方程，并进行奇异性分析，得到解曲线局部拓扑形态各不相同的三种分岔模式，分别对应于系统响应中的正常运动、“双稳态”运动以及无法通过临界转速的情况，转迁集成为参数平面上对应于不同运动行为的边界，对于设计合理参数提供了有价值的方法。进一步，研究了在流体惯性作用下的挤压油膜阻尼器-转子系统动力学特性，发现其分岔模式与前述相同，流体惯性作用对滞后集曲线有明显的影响，但随着轴承参数的降低，这种影响越来越小，低于一定程度时，流体惯性力的定性影响几乎可以忽略，而定量的影响只存在于共振峰尖点处。在内共振分析中发现了软硬刚度共存的耦合现象。
　　⑵研究了双频外激励作用下挤压油膜阻尼器-转子系统的非线性行为，采用伪弧长延拓与二维谐波平衡法相结合的方式，与时域积分方法综合运用，发现系统中存在从周期解到概周期解突跳现象。根据分岔分析将其归为两种类型：一种为非线性系统中较为常见的鞍结分岔，另一种为周期解先通过二次 Hopf分岔失稳演变为小振幅概周期运动，然后进入对应的频率区间内另一大振幅的概周期解，引发跳跃现象。频率比变化对系统非线性特性影响敏感，使得高阶模态共振表现为软特性、软硬共存交叉特性和硬特性的不同形式，甚至在某些频率比下系统会改变周期解的稳定性。通过调整挤压油膜阻尼器参数，如增大流体粘度或减小油膜间隙可以改善系统的振动行为，抑制突跳现象的发生，但在某些频率比情况下作用不明显，因此频率比也是控制系统振动行为的一个关键因素。
　　⑶考虑偏心外激励与轴承通频参激共同作用下，轴承与挤压油膜阻尼器两种非线性因素耦合对系统的影响。系统中由于多激励的共同作用，在激励频率变化范围内，除了各阶主共振区间之外，还存在着通过频率共振区间，通过频率的1/2亚谐共振区间，二阶主共振的1/2亚谐共振区间以及若干概周期区间，这些频率区间均可能出现跳跃行为。随着轴承滚珠数目增多，通过频率共振区间及其1/2亚谐共振区间的幅值降低，跳跃现象消失，并且体现出滚珠数奇数情况比偶数情况使系统更加稳定的特点。挤压油膜阻尼器对通过频率共振区间影响不明显，但对于主共振区间减振作用明显，大部分概周期响应退化为周期运动。通过联合调节滚珠数目变化和挤压油膜阻尼器参数可以实现抑制系统多个共振区间的失稳，防止有害非线性现象的发生。
　　⑷建立中介轴承连接的双转子-挤压油膜阻尼器模型，研究中介轴承游隙变化及挤压油膜阻尼器分布对系统的影响。中介轴承的非线性因素，使得系统中出现了组合频率共振，随着游隙的增大，组合共振越发明显。在共振峰处，水平与竖直方向等效刚度相等，并与幅频曲线变化一致，而对于非共振情况，竖直方向等效刚度变化趋势与幅频曲线相反，并大于水平方向的等效刚度。挤压油膜阻尼器的安装位置对不同振型的减振效果不同，安装于低压轴前支点可对二阶共振起主要减振作用，安装于低压轴后支点可对一阶共振起主要减振作用，安装于高压轴前支点起到辅助减振作用，不同位置、数量的配合可以起到联合减振效果。为保证减振效果，挤压油膜阻尼器安装位置以选择某阶振型的最大位移支点以及轴承半径较大的支点为宜。

目录

第1章 绪 论

1.1 课题背景及研究的目的和意义

1.2挤压油膜阻尼器-转子系统的非线性特性研究现状

1.3挤压油膜阻尼器参数优化研究现状

1.4新型挤压油膜阻尼器的研究现状

1.5挤压油膜阻尼器-若干非线性因素转子系统耦合研究

1.6 本文的主要研究内容

第2章 挤压油膜阻尼器-转子系统的分岔特性

2.1 引言

2.2 短轴承挤压油膜阻尼器-转子系统分岔特性

2.3 流体惯性力对挤压油膜阻尼器-转子系统分岔特性的影响

2.4 挤压油膜阻尼器-转子系统内共振情况下的分岔特性

2.5 本章小结

第3章 双频激励下挤压油膜阻尼器-转子系统的突跳行为与机理

3.1 引言

3.2 双频激励SFD非线性转子系统分析方法

3.3 分岔机理分析与参数影响

3.4 本章小结

第4章 挤压油膜阻尼器-滚动轴承-转子系统非线性特性

4.1 引言

4.2挤压油膜阻尼器-滚动轴承-转子系统非线性模型

4.3 滚动轴承-转子系统各共振区非线性特征

4.4 挤压油膜阻尼器对各类共振减振作用

4.5 本章小结

第5章 挤压油膜阻尼器对双转子-中介轴承系统的减振性能研究

5.1 引言

5.2双转子-中介轴承-挤压油膜阻尼器系统建模

5.3数值计算结果及分析

5.4 本章小结

结论

本文工作的创新点：

值得进一步研究的问题：

参考文献

附录

攻读博士学位期间发表的论文及其它成果

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致谢

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