【文章內(nèi)容簡介】 越來越高，甚至達到了三、四階臨界以上，這為轉(zhuǎn)子動力學(xué)的研究提出了一系列的研究課題，也有力地促進了轉(zhuǎn)子動力學(xué)的發(fā)展。 新的交叉學(xué)科研究方向 旋轉(zhuǎn)機械轉(zhuǎn)子動力學(xué)從其誕生起就是一門涉及多個學(xué)科領(lǐng)域的綜合學(xué)科。早期的轉(zhuǎn)子動力學(xué)研究包含了數(shù)學(xué)、理論力學(xué)、結(jié)構(gòu)力學(xué)、穩(wěn)定 性理論、流體動力潤滑理論、摩擦學(xué)等學(xué)科，后來又涉及到氣動力學(xué)、控制理論、彈性力學(xué)、計算力學(xué)、有限元方法、實驗技術(shù)、信號采集與處理技術(shù)、非線性動力學(xué)、電磁學(xué)、流變學(xué)、新材料與智能材料等學(xué)科。在今后的研究中有以下幾個交叉研究領(lǐng)域應(yīng)引起重視 [3]。 空間技術(shù)是 21 世紀(jì)我國重點發(fā)展的高新技術(shù)，包括載人飛船等一系列空間發(fā)展計劃已進入實施階段。旋轉(zhuǎn)機械在空間技術(shù)發(fā)展中也有著普遍的應(yīng)用。但在微重力環(huán)境下，轉(zhuǎn)子動力學(xué)現(xiàn)有的許多理論和研究成果都受到了挑戰(zhàn)，需要作很大的修正。最起碼所有與重力有關(guān)的結(jié)論都需要重新研究和評價，如在微重力環(huán)境下軸承的支承和潤滑作用等。為此需要結(jié)合微重力環(huán)境開展轉(zhuǎn)子動力學(xué)的有關(guān)研究工作。研究中應(yīng)特別注意不僅是不考慮重力影響 , 而且還有許多本質(zhì)性的變化，如軸承中潤滑油的特性會因微重力而產(chǎn)生本質(zhì)變化，其聚合作用會大大加強。 題 微機械的問世和發(fā)展對轉(zhuǎn)子動力學(xué)提出了新的挑戰(zhàn)，如上海交大研制成的 2 mm 微電機就為轉(zhuǎn)子動力學(xué)的分析和實驗帶來了許多新問題。一是理論建模和分析方法的適用性問題；二是新的驅(qū)動方式和軸承潤滑問題；三是動態(tài)特性測試問題。目前的測試手段和方法還無法應(yīng)用于超微電機轉(zhuǎn)子的動態(tài)特性分析，激光測試可能是目前唯一可行的方法。因此加強對超微機械轉(zhuǎn)子動力學(xué)的理論和實驗研究是一個迫切的課題。 在旋轉(zhuǎn)式人工心臟、人體微型 ―清道夫 ‖的研制和分子馬達的研究中可能會遇到轉(zhuǎn)子動力學(xué)的問題。心臟間歇式壓力、 血液和人體組織的影響等都會為轉(zhuǎn)子動力學(xué)的研究提東北大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） 第 1 章 緒論 5 出新的問題。 轉(zhuǎn)子動力學(xué)（ rotor dynamics）， 固體力學(xué)的分支。主要研究轉(zhuǎn)子 支承系統(tǒng)在旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下的振動、平衡和穩(wěn)定性問題，尤其是研究接近或超過臨界轉(zhuǎn)速運轉(zhuǎn)狀態(tài)下轉(zhuǎn)子的橫向振動問題。轉(zhuǎn)子是渦輪機、電機等旋轉(zhuǎn)式機械中的主要旋轉(zhuǎn)部件 。 1869 年英國的 .蘭金關(guān)于離心力的論文和 1889 年法國的 拉瓦爾關(guān)于撓性軸的試驗是研究這一問題的先導(dǎo)。 [4]隨著近代工業(yè)的發(fā)展，逐漸出現(xiàn)了高速細長轉(zhuǎn)子。由于它們常在撓性狀態(tài)下工作， 所以其振動和穩(wěn)定性問題就越發(fā)重要。轉(zhuǎn)子動力學(xué)的研究內(nèi)容主要有以下 5個： （ 1）臨界轉(zhuǎn)速。由于制造中的誤差，轉(zhuǎn)子各微段的質(zhì)心一般對回轉(zhuǎn)軸線有微小偏離。轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時，由上述偏離造成的離心力會使轉(zhuǎn)子產(chǎn)生橫向振動。這種振動在某些轉(zhuǎn)速上顯得異常強烈，這些轉(zhuǎn)速稱為臨界轉(zhuǎn)速。為確保機器在工作轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)不致發(fā)生共振，臨界轉(zhuǎn)速應(yīng)適當(dāng)偏離工作轉(zhuǎn)速例如 10％以上。臨界轉(zhuǎn)速同轉(zhuǎn)子的彈性和質(zhì)量分布等因素有關(guān)。對于具有有限個集中質(zhì)量的離散轉(zhuǎn)動系統(tǒng)，臨界轉(zhuǎn)速的數(shù)目等于集中質(zhì)量的個數(shù)；對于質(zhì)量連續(xù)分布的彈性轉(zhuǎn)動系統(tǒng)，臨界轉(zhuǎn)速有無窮多個 。計算大型轉(zhuǎn)子支承系統(tǒng)臨界轉(zhuǎn)速最常用的數(shù)值方法為傳遞矩陣法。其要點是：先把轉(zhuǎn)子分成若干段，每段左右端 4個截面參數(shù)（撓度、撓角、彎矩、剪力）之間的關(guān)系可用該段的傳遞矩陣描述。如此遞推，可得系統(tǒng)左右兩端面的截面參數(shù)間的總傳遞矩陣。再由邊界條件和固有振動時有非零解的條件，應(yīng)用試湊法求得各階臨界轉(zhuǎn)速，并隨后求得相應(yīng)的振型。 （ 2）通過臨界轉(zhuǎn)速的狀態(tài)。一般轉(zhuǎn)子都是變速通過臨界轉(zhuǎn)速的，故通過臨界轉(zhuǎn)速的狀態(tài)為不平穩(wěn)狀態(tài)。它主要在兩個方面不同于固定在臨界轉(zhuǎn)速上旋轉(zhuǎn)時的平穩(wěn)狀態(tài)：一是振幅的極大值比平穩(wěn)狀態(tài)的小，且轉(zhuǎn)速變 得愈快，振幅的極大值愈??；二是振幅的極大值不像平穩(wěn)狀態(tài)那樣發(fā)生在臨界轉(zhuǎn)速上。在不平穩(wěn)狀態(tài)下，轉(zhuǎn)子上作用著變頻干擾力，給分析帶來困難。求解這類問題須用數(shù)值計算或非線性振動理論中的漸近方法或用級數(shù)展開法。 （ 3）動力響應(yīng)。在轉(zhuǎn)子的設(shè)計和運行中，常需知道在工作轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，不平衡和其他激發(fā)因素引起的振動有多大，并把它作為轉(zhuǎn)子工作狀態(tài)優(yōu)劣的一種度量。計算這個問題多采用從臨界轉(zhuǎn)速算法引伸出來的算法。 （ 4）動平衡。確定轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動時轉(zhuǎn)子的質(zhì)心、中心主慣性軸對旋轉(zhuǎn)軸線的偏離值產(chǎn)生東北大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） 第 1 章 緒論 6 的離心力和離心力偶的位置和大小并加 以消除的操作。在進行剛性轉(zhuǎn)子（轉(zhuǎn)速遠低于臨界轉(zhuǎn)速的轉(zhuǎn)子）動平衡時，各微段的不平衡量引起的離心慣性力系可簡化到任選的兩個截面上去，在這兩個面上作相應(yīng)的校正（去重或配重）即可完成動平衡。為找到兩截面上不平衡量的方位和大小可使用動平衡機。在進行撓性轉(zhuǎn)子（超臨界轉(zhuǎn)速工作的轉(zhuǎn)子）動平衡時，主要用振型法和影響系數(shù)法。它們是轉(zhuǎn)子動力學(xué)研究的重點。 （ 5）轉(zhuǎn)子穩(wěn)定性。轉(zhuǎn)子保持無橫向振動的正常運轉(zhuǎn)狀態(tài)的性能。若轉(zhuǎn)子在運動狀態(tài)下受微擾后能恢復(fù)原態(tài)，則這一運轉(zhuǎn)狀態(tài)是穩(wěn)定的；否則是不穩(wěn)定的。轉(zhuǎn)子的不穩(wěn)定通常是指不存在或不考慮 周期性干擾下，轉(zhuǎn)子受到微擾后產(chǎn)生強烈橫向振動的情況。轉(zhuǎn)子穩(wěn)定性問題的主要研究對象是油膜軸承。油膜對軸頸的作用力是導(dǎo)致軸頸乃至轉(zhuǎn)子失穩(wěn)的因素。該作用力可用流體力學(xué)的公式求出，也可通過實驗得出。一般是通過線性化方法，將作用力表示為軸頸徑向位移和徑向速度的線性函數(shù)，從而求出轉(zhuǎn)子開始進入不穩(wěn)定狀態(tài)的轉(zhuǎn)速 ——門限轉(zhuǎn)速。導(dǎo)致失穩(wěn)的還有材料的內(nèi)摩擦和干摩擦，轉(zhuǎn)子的彎曲剛度或質(zhì)量分布在二正交方向不同，轉(zhuǎn)子與內(nèi)部流體或與外界流體的相互作用等等。 （ 1）低水平重復(fù)研究較多，跟隨 研究較多，缺乏創(chuàng)新性。 （ 2）研究的范圍較窄，有些領(lǐng)域幾乎還是空白。我國目前在密封動力學(xué)、航空發(fā)動機轉(zhuǎn)子動力學(xué)、磁軸承等方面的研究離世界水平還有較大差距，而在全尺寸轉(zhuǎn)子動力學(xué)的實驗研究方面的差距更大。另外研究中存在理論研究的深度不夠、數(shù)值分析的轉(zhuǎn)子系統(tǒng)模型過于簡單等問題。這需要引起有關(guān)立項單位和專家學(xué)者的重視。 （ 3）理論成果指導(dǎo)應(yīng)用不夠，實驗研究水平低。我國目前在轉(zhuǎn)子動力學(xué)的實驗研究方面水平普遍較低，且實驗越來越少。驗證理論大多是用數(shù)值仿真計算，有些研究結(jié)論離實際應(yīng)用的距離很大。用理論研究成果 真正解決重大工程問題的還比較少。今后應(yīng)加強理論和實驗的對比研究，提高實驗研究水平，加大實際應(yīng)用性質(zhì)的研究力度。 （ 4）研究隊伍老化，高水平的研究群體不多。目前我國轉(zhuǎn)子動力學(xué)領(lǐng)域挑重任的還是幾位老專家。盡管多年來已經(jīng)培養(yǎng)了一大批從事轉(zhuǎn)子動力學(xué)研究的碩士和博士，但這些年輕學(xué)者目前大多數(shù)在國外，許多也改行了。這一青黃不接的現(xiàn)象在航空發(fā)動機等國防研究領(lǐng)域尤為突出。因此培養(yǎng)能穩(wěn)定地從事轉(zhuǎn)子動力學(xué)研究的青年學(xué)者是當(dāng)務(wù)之急。此外應(yīng)加強對航空發(fā)動機等國防工業(yè)轉(zhuǎn)子動力學(xué)基礎(chǔ)研究的支持力度。 （ 5）缺乏高水平的實用 的分析和監(jiān)測系統(tǒng)。盡管我國學(xué)者在轉(zhuǎn)子動力學(xué)的基礎(chǔ)研究東北大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） 第 1 章 緒論 7 方面取得了很多成果，且也研制了一些用于生產(chǎn)實際的轉(zhuǎn)子動力學(xué)分析和監(jiān)測、診斷系統(tǒng)，但在我國工業(yè)界占主導(dǎo)地位的仍是國外的產(chǎn)品。故盡快研制和推廣高水平的國產(chǎn)轉(zhuǎn)子動力學(xué)分析和監(jiān)測、診斷系統(tǒng)是有關(guān)專家學(xué)者義不容辭的職責(zé)。雖然存在上述問題，但我國轉(zhuǎn)子動力學(xué)研究的成果是顯著的，對國民經(jīng)濟建設(shè)的貢獻是相當(dāng)大的，在多個領(lǐng)域也取得了世界先進或領(lǐng)先的地位。相信今后會做出更大的貢獻 [5]。 本次研究的對象為轉(zhuǎn)子動力試驗臺。為詳細了解實驗臺的靜動態(tài)特性，全面掌握起特性，從而展開設(shè)備監(jiān)測診斷工作，所以主要工作分為以下幾個方面： (1) 使用 SolidWorks 對壓縮機故障模擬試驗臺 部分零部件 進行三維建模 ，重點完成對碰摩裝置的改進設(shè)計，完成碰摩裝置零部件的三維建模和裝配，熟悉壓縮機故障模擬實驗臺的裝配過程； (2) 采用 CAXA 二維畫圖軟件， 完成 對 壓縮機故障模擬試驗臺部分零部件的 CAXA出圖 ； (3) 采用 ANSYS 軟件 對 壓縮機故障模擬試驗臺轉(zhuǎn)子系統(tǒng) 進行靜強度分析 ，對轉(zhuǎn)子系統(tǒng)進行有限元網(wǎng)格劃分，分為 對轉(zhuǎn)子系統(tǒng)只施加自重與施加自重和轉(zhuǎn)速兩種情況，分別對其進行靜強度分析，計算轉(zhuǎn)子系統(tǒng)最大應(yīng)力發(fā)生的部位及其大?。? (4) 使用 ANSYS 軟件對壓縮機故障模擬試驗臺轉(zhuǎn)子系統(tǒng)進行模態(tài)分析，分別對轉(zhuǎn)子系統(tǒng)只施加自重與施加自重和轉(zhuǎn)速兩種情況，對其進行模態(tài)分析，計算轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的固有頻率，分析轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的各階振型。 東北大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） 第 2 章 壓縮機故障模擬試驗臺的設(shè)計 9 第 2章 壓縮機故障模擬實驗臺的設(shè)計 壓縮機故障模擬實驗臺的設(shè)計目的是模擬工程中旋轉(zhuǎn)機械轉(zhuǎn)子的運動。實驗臺的轉(zhuǎn)子由質(zhì)量相對較輕的彈性軸和裝在彈性軸中間位置的圓盤構(gòu)成，兩端由不變形的軸承及軸承座支承。根據(jù)這種模型進行分析的概念和結(jié)論在轉(zhuǎn)子動力學(xué)中是最基本的。這種模型得到的結(jié)論應(yīng)用于簡單旋轉(zhuǎn)機械足夠準(zhǔn)確。就是對于復(fù)雜的旋轉(zhuǎn)機械，這些概念和結(jié)論雖然不夠精確，但仍能定性地說明問題。采用這種基本的結(jié)構(gòu)能夠減小其它因素對轉(zhuǎn)子運行的影響從而突出碰摩故障 [6]。 壓縮機故障模擬實驗臺整體設(shè)計 壓縮機故障模擬實驗臺整體結(jié)構(gòu)如圖 和圖 所示 (標(biāo)號 111 表示壓縮機故障模擬試驗臺各主要部件） 圖 壓縮機故障模擬實驗臺效果圖 1 3 4 5 6 2 8 7 9 10 11 東北大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） 第 2 章 壓縮機故障模擬試驗臺的設(shè)計 10 圖 壓縮機故障模擬實驗臺 壓縮機故障模擬試驗臺結(jié)構(gòu)組成 1 壓縮機故障模擬試驗臺電機 (圖 ) 圖 壓縮機故障模擬實驗臺電機 為了研究轉(zhuǎn)子在不同轉(zhuǎn)速下的碰摩情況，實驗過程中需要連續(xù)可調(diào)的較高轉(zhuǎn)速。本實驗臺選擇 高速電主軸，其主要優(yōu)點：電主軸具有結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕、慣性小、振動小、噪聲低、響應(yīng)快等優(yōu)點，而且轉(zhuǎn)速高、功率大，簡化機床設(shè)計，是高速主軸單元中的一種理想結(jié)構(gòu)。 工作轉(zhuǎn)速 3000－ 15000r/min；變頻器調(diào)速， 0－ 3000 r/min 轉(zhuǎn)速范圍為恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速，額定轉(zhuǎn)矩為 ； 3000－ 15000r/min 轉(zhuǎn)速范圍為恒功率調(diào)速，額定輸出功率為 30KW。 工作條件； 常溫、常濕、潔凈。 高速電機可通過變頻器進行無級調(diào)速，并具有緊急停機剎車功能。 2 錐軸 東北大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） 第 2 章 壓縮機故障模擬試驗臺的設(shè)計 11 壓縮機故障模擬實驗臺的錐軸在電機的帶動下高速旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)子 的微小偏心都會引起很大的離心力，而且在碰摩時還會承受沖擊載荷。為防止錐軸變形并保證其有較高的精度，要求錐軸具有足夠的強度、沖擊韌性和抗疲勞能力。這里錐軸選用了調(diào)質(zhì)處理的40Cr，該材料強度比碳鋼高約 20％且疲勞強度較高。在轉(zhuǎn)子實驗臺運轉(zhuǎn)的過程中，轉(zhuǎn)子會受到偏心質(zhì)量引起的離心力和碰摩時的沖擊載荷。如果轉(zhuǎn)軸的強度不夠，會使轉(zhuǎn)軸發(fā)生永久性變形，從而使實驗臺報廢；而且由于轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速很高，如果其強度得不到保證會對實驗人員造成安全隱患 [7]。 3 聯(lián)軸器 （圖 ） 圖 聯(lián)軸器 用以連接電機軸與錐軸 ，傳遞轉(zhuǎn)矩。 4 軸承座 （圖 ） 圖 軸承座 共兩個軸承座，一個只推軸承，一個為徑向軸承，壓縮機故障模擬實驗臺使用滑動軸承，滑動軸承在結(jié)構(gòu)上，滑動軸承是靠平滑的面來支撐轉(zhuǎn)動軸的，因而接觸部位是一個面。其次滑動軸承的運動方式是滑動?；瑒虞S承工作平穩(wěn)、可靠、無噪聲。在液體潤滑條件下，滑動表面被潤滑油分開而不發(fā)生直接接觸，還可以大大減小摩擦損失和表面磨損，油膜還具有一定的吸振能力。但起動摩擦阻力較大?；瑒虞S承能夠在高轉(zhuǎn)速運行，并且能夠承受大的沖擊和振動載荷。為使結(jié)構(gòu)簡單，滑動軸承沒有密封。 但這樣會使軸承容易磨損，因此軸承用耐磨性較好的銅合金制造，并在軸承和軸承座的頂部開設(shè)油孔東北大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） 第 2 章 壓縮機故障模擬試驗臺的設(shè)計 12 以便能隨時加入潤滑油進行潤滑。 5 碰摩裝置 此次設(shè)計為完整模擬轉(zhuǎn)定子碰摩全過程，采用整周碰摩裝置模擬局部碰摩 ， 將定子內(nèi)表面設(shè)計成圓柱形，使用絲桿傳動改變定轉(zhuǎn)子之間的間隙調(diào)整碰