【正文】 the rotor system weight and the weight and speed applied in both cases, namely its modal analysis, to understand each rotor system vibration 東北大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） Abstract IV mode, and calculate the natural frequency of the rotor system. Key words： Rotor system, Rubbing devices, static strength, Modal Analysis東北大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 目錄 V 目 錄 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）任務(wù)書(shū) .......................................................................... I 摘要 ............................................................................................................... II Abstract ........................................................................................................ III 第 1章 緒論 .......................................................................錯(cuò)誤 !未定義書(shū)簽。 國(guó)內(nèi)外研究進(jìn)展、現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì) ....................................................... 3 新的交叉學(xué)科研究方向 .......................................................................... 4 微重力環(huán)境下的轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué) ................................................................. 4 超微機(jī)械中的轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)問(wèn)題 ............................................................. 4 生物中的轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)問(wèn)題 .................................................................... 4 轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)簡(jiǎn)介 ..................................................................................... 5 目前我國(guó)轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)研究存在的主要問(wèn)題 ............................................ 7 研究的主要內(nèi)容 ...............................................................錯(cuò)誤 !未定義書(shū)簽。這些旋轉(zhuǎn)機(jī)械的安全穩(wěn)定運(yùn)行，對(duì)企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益和國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展具有重要意義。振動(dòng)過(guò)大的設(shè)備或減負(fù)荷運(yùn)行，或停機(jī)處理，或緊急強(qiáng)迫停機(jī)。全國(guó)各電網(wǎng)中在役大設(shè)備出現(xiàn)振動(dòng)故障影響電力生產(chǎn)的案例更是 屢屢發(fā)生。1988年 10月，北侖電廠 1號(hào)汽輪發(fā)電機(jī)組 (600MW 東芝機(jī)組 )發(fā)生高壓轉(zhuǎn)子葉片斷裂重大故，直接損失 2400萬(wàn)元人民幣。大量實(shí)例說(shuō)明，振動(dòng)大是設(shè)備故障的必要條件，即設(shè)備出現(xiàn)故障時(shí)必然會(huì)在振動(dòng)上有所反映。安裝、檢修沒(méi)有達(dá)到規(guī)范要求的設(shè)備，移交生產(chǎn)后出現(xiàn)振 動(dòng)過(guò)大的問(wèn)題，還可以在檢修中重新調(diào)整。在設(shè)計(jì)、制造、安裝質(zhì)量完好的前提下設(shè)備正式投運(yùn)后同樣可能因各種原因出現(xiàn)新的振動(dòng)問(wèn)題，如轉(zhuǎn)子平衡狀態(tài)的變化等。理論上的理想情況是轉(zhuǎn)子的慣性主軸與轉(zhuǎn)動(dòng)軸線重合，但實(shí)際上這是做不到的，離心力和力矩必然存在并將作用在轉(zhuǎn)子的支承系統(tǒng)上。 質(zhì)量不平衡是引起設(shè)備軸系振動(dòng)大的最常見(jiàn)原 因。質(zhì)量不平衡包括三部分，即原始質(zhì)量不平衡、轉(zhuǎn)動(dòng)部件飛脫和松動(dòng)、轉(zhuǎn)子熱彎曲。轉(zhuǎn)子在制造廠或在現(xiàn)場(chǎng)加工過(guò)程中，由于機(jī)床的精度和人為操作的原因，不可避免地會(huì)使轉(zhuǎn)軸幾何尺寸存在徑向誤差 。原本振動(dòng)良好的新東北大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 1 章 緒論 2 機(jī)組或大修后的機(jī)組投運(yùn)后，同樣會(huì)由于種種原因出現(xiàn)質(zhì)量分布發(fā)生變化，進(jìn)而造成振動(dòng)的變化。轉(zhuǎn)子毛坯無(wú)論是鍛件還是焊接件，都會(huì)存在熱應(yīng)力，這種熱應(yīng)力是日后轉(zhuǎn)子熱變形的潛在原因。制造廠在轉(zhuǎn)軸機(jī)械加工過(guò)程中都要有一道 ―熱跑 ‖工序，讓轉(zhuǎn)軸在數(shù)百度的熱處理爐內(nèi)慢速轉(zhuǎn)動(dòng)幾十個(gè)小時(shí)，以消除鑄造、鍛造或焊接時(shí)殘存的熱應(yīng)力。從振動(dòng)角度看，轉(zhuǎn)軸的熱變形將使軸線彎曲，引起質(zhì)量徑向 位置的偏移，成為軸系振動(dòng)隨溫度增大的主要原因之一。 其次是轉(zhuǎn)子與定子的碰摩，這是旋轉(zhuǎn)機(jī)械運(yùn)行中的常見(jiàn)故障。特別是汽輪發(fā)電機(jī)組，隨著向高參數(shù)、大容量的方向發(fā)展，汽輪機(jī)動(dòng)靜間隙越來(lái)越小，軸封、油擋、隔板汽封發(fā)生動(dòng)靜碰摩的機(jī)會(huì)越來(lái)越多，氫冷發(fā)電機(jī)的密封瓦也會(huì)經(jīng)常發(fā)生動(dòng)靜碰摩現(xiàn)象。 轉(zhuǎn)子與定子碰摩的過(guò)程會(huì)對(duì)轉(zhuǎn)子的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)產(chǎn)生多方面的影響。當(dāng)摩擦力矩大于轉(zhuǎn)子的阻尼力矩時(shí)，轉(zhuǎn)子會(huì)從正向渦動(dòng)轉(zhuǎn)向反向渦動(dòng)，特別是對(duì)于整周摩擦，會(huì)產(chǎn)生所謂的 ―千摩擦 ‖現(xiàn)象，從而引起自激振動(dòng)，影響轉(zhuǎn)子正常運(yùn)行，甚至損壞機(jī)組。 轉(zhuǎn) 子與定子碰摩時(shí)的碰撞相當(dāng)于給轉(zhuǎn)子和定子施加了一個(gè)瞬態(tài)激振力，能將轉(zhuǎn)子和定子的固有頻率激發(fā)起來(lái)。 動(dòng)靜摩擦和碰撞產(chǎn)生的熱量會(huì)使轉(zhuǎn)子的溫度場(chǎng)發(fā)生變化，導(dǎo)致轉(zhuǎn)子熱態(tài)彎曲，產(chǎn)生熱態(tài)不平衡力，引起機(jī)組振動(dòng)。 總之，轉(zhuǎn)子與定子碰摩會(huì)使轉(zhuǎn)子產(chǎn)生非常復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)，輕者使機(jī)組出現(xiàn)強(qiáng)烈振動(dòng)，嚴(yán)重的可能造成軸永久性彎曲，甚至整個(gè)軸系毀壞，影響機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行。目前國(guó)內(nèi)已有 30多臺(tái)機(jī)組在空負(fù)荷或帶負(fù)荷下多次產(chǎn)生碰摩振動(dòng)事故，引發(fā)突發(fā)性振動(dòng)或振幅長(zhǎng)時(shí)間大幅度地波動(dòng)，有些機(jī)組因振 動(dòng)過(guò)大而被迫打閘停機(jī)。 因此，轉(zhuǎn)子振動(dòng)碰摩故障的機(jī)理和監(jiān)測(cè)診斷技術(shù)的研究對(duì)確保機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行，防止重大事故發(fā)生具有重要意義。 、現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì) 轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)是一門(mén)既有理論深度，又有很強(qiáng)的實(shí)踐性的應(yīng)用基礎(chǔ)學(xué)科，它的形成與發(fā)展伴隨著大工業(yè)的發(fā)展和科技進(jìn)步，已走過(guò)了一個(gè)多世紀(jì)的路程。最簡(jiǎn)單的轉(zhuǎn)子模型是由一根兩端剛支的無(wú)質(zhì)量的軸和在其中部的圓盤(pán)組成的，這一今天仍在使用的被稱做 Jeffcott 轉(zhuǎn)子的模型最早是由 Foppl在 1895 年提出的，之所以被稱做 ―Jeffcott‖轉(zhuǎn)子 是由于 Jeffcott 教授在 1919 年首先解了這一模型的轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)特性。這一結(jié)論使得旋轉(zhuǎn)機(jī)械的功率和使用范圍大大提高了，許多工作轉(zhuǎn)速超過(guò)臨界的渦輪機(jī)、壓縮機(jī)和泵等對(duì)工業(yè)革命起了很大的作用。這種不穩(wěn)定現(xiàn)象首先被Newkirk 發(fā)現(xiàn)是油膜軸承造成的，從而確定了穩(wěn)定性在轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)分析中的重要地位。 50 年代以來(lái)，電力、航空、機(jī)械、化工工業(yè)的迅猛發(fā)展極大地推動(dòng)了轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)的研究。旋轉(zhuǎn)機(jī)械的轉(zhuǎn)子越來(lái)越柔、功率越來(lái)越大、轉(zhuǎn)速越來(lái)越高，甚至達(dá)到了三、四階臨界以上，這為轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)的研究提出了一系列的研究課題，也有力地促進(jìn)了轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)的發(fā)展。早期的轉(zhuǎn)子動(dòng)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(dòng)力潤(rùn)滑理論、摩擦學(xué)等學(xué)科，后來(lái)又涉及到氣動(dòng)力學(xué)、控制理論、彈性力學(xué)、計(jì)算力學(xué)、有限元方法、實(shí)驗(yàn)技術(shù)、信號(hào)采集與處理技術(shù)、非線性動(dòng)力學(xué)、電磁學(xué)、流變學(xué)、新材料與智能材料等學(xué)科。 空間技術(shù)是 21 世紀(jì)我國(guó)重點(diǎn)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(jì)劃已進(jìn)入實(shí)施階段。但在微重力環(huán)境下，轉(zhuǎn)子動(dòng)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。為此需要結(jié)合微重力環(huán)境開(kāi)展轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)的有關(guān)研究工作。 題 微機(jī)械的問(wèn)世和發(fā)展對(duì)轉(zhuǎn)子動(dòng)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(jī)就為轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)的分析和實(shí)驗(yàn)帶來(lái)了許多新問(wèn)題。目前的測(cè)試手段和方法還無(wú)法應(yīng)用于超微電機(jī)轉(zhuǎn)子的動(dòng)態(tài)特性分析，激光測(cè)試可能是目前唯一可行的方法。 在旋轉(zhuǎn)式人工心臟、人體微型 ―清道夫 ‖的研制和分子馬達(dá)的研究中可能會(huì)遇到轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)的問(wèn)題。 轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)（ rotor dynamics）， 固體力學(xué)的分支。轉(zhuǎn)子是渦輪機(jī)、電機(jī)等旋轉(zhuǎn)式機(jī)械中的主要旋轉(zhuǎn)部件 。 [4]隨著近代工業(yè)的發(fā)展，逐漸出現(xiàn)了高速細(xì)長(zhǎng)轉(zhuǎn)子。轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)的研究?jī)?nèi)容主要有以下 5個(gè)： （ 1）臨界轉(zhuǎn)速。轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時(shí)，由上述偏離造成的離心力會(huì)使轉(zhuǎn)子產(chǎn)生橫向振動(dòng)。為確保機(jī)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。對(duì)于具有有限個(gè)集中質(zhì)量的離散轉(zhuǎn)動(dòng)系統(tǒng)，臨界轉(zhuǎn)速的數(shù)目等于集中質(zhì)量的個(gè)數(shù)；對(duì)于質(zhì)量連續(xù)分布的彈性轉(zhuǎn)動(dòng)系統(tǒng)，臨界轉(zhuǎn)速有無(wú)窮多個(gè) 。其要點(diǎn)是：先把轉(zhuǎn)子分成若干段，每段左右端 4個(gè)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。再由邊界條件和固有振動(dòng)時(shí)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。一般轉(zhuǎn)子都是變速通過(guò)臨界轉(zhuǎn)速的，故通過(guò)臨界轉(zhuǎn)速的狀態(tài)為不平穩(wěn)狀態(tài)。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(lái)困難。 （ 3）動(dòng)力響應(yīng)。計(jì)算這個(gè)問(wèn)題多采用從臨界轉(zhuǎn)速算法引伸出來(lái)的算法。確定轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)轉(zhuǎn)子的質(zhì)心、中心主慣性軸對(duì)旋轉(zhuǎn)軸線的偏離值產(chǎn)生東北大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（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。為找到兩截面上不平衡量的方位和大小可使用動(dòng)平衡機(jī)。它們是轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)研究的重點(diǎn)。轉(zhuǎn)子保持無(wú)橫向振動(dòng)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)的性能。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(qiáng)烈橫向振動(dòng)的情況。油膜對(duì)軸頸的作用力是導(dǎo)致軸頸乃至轉(zhuǎn)子失穩(wěn)的因素。一般是通過(guò)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(kāi)始進(jìn)入不穩(wěn)定狀態(tài)的轉(zhuǎn)速 ——門(mén)限轉(zhuǎn)速。 （ 1）低水平重復(fù)研究較多，跟隨 研究較多，缺乏創(chuàng)新性。我國(guó)目前在密封動(dòng)力學(xué)、航空發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子動(dòng)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(dòng)力學(xué)的實(shí)驗(yàn)研究方面的差距更大。這需要引起有關(guān)立項(xiàng)單位和專家學(xué)者的重視。我國(guó)目前在轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)的實(shí)驗(yàn)研究方面水平普遍較低，且實(shí)驗(yàn)越來(lái)越少。用理論研究成果 真正解決重大工程問(wèn)題的還比較少。 （ 4）研究隊(duì)伍老化，高水平的研究群體不多。盡管多年來(lái)已經(jīng)培養(yǎng)了一大批從事轉(zhuǎn)子動(dòng)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(guó)外，許多也改行了。因此培養(yǎng)能穩(wěn)定地從事轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)研究的青年學(xué)者是當(dāng)務(wù)之急。 （ 5）缺乏高水平的實(shí)用 的分析和監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。故盡快研制和推廣高水平的國(guó)產(chǎn)轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)分析和監(jiān)測(cè)、診斷系統(tǒng)是有關(guān)專家學(xué)者義不容辭的職責(zé)。相信今后會(huì)做出更大的貢獻(xiàn) [5]。為詳細(xì)了解實(shí)驗(yàn)臺(tái)的靜動(dòng)態(tài)特性，全面掌握起特性，從而展開(kāi)設(shè)備監(jiān)測(cè)診斷工作，所以主要工作分為以下幾個(gè)方面： (1) 使用 SolidWorks 對(duì)壓縮機(jī)故障模擬試驗(yàn)臺(tái) 部分零部件 進(jìn)行三維建模 ，重點(diǎn)完成對(duì)碰摩裝置的改進(jìn)設(shè)計(jì)，完成碰摩裝置零部件的三維建模和裝配，熟悉壓縮機(jī)故障模擬實(shí)驗(yàn)臺(tái)的裝配過(guò)程； (2) 采用 CAXA 二維畫(huà)圖軟件， 完成 對(duì) 壓縮機(jī)故障模擬試驗(yàn)臺(tái)部分零部件的 CAXA出圖 ； (3) 采用 ANSYS 軟件 對(duì) 壓縮機(jī)故障模擬試驗(yàn)臺(tái)轉(zhuǎn)子系統(tǒng) 進(jìn)行靜強(qiáng)度分析 ，對(duì)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)進(jìn)行有限元網(wǎng)格劃分，分為 對(duì)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(duì)其進(jìn)行靜強(qiáng)度分析，計(jì)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(duì)壓縮機(jī)故障模擬試驗(yàn)臺(tái)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)進(jìn)行模態(tài)分析，分別對(duì)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(duì)其進(jìn)行模態(tài)分析，計(jì)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。實(shí)驗(yàn)臺(tái)的轉(zhuǎn)子由質(zhì)量相對(duì)較輕的彈性軸和裝在彈性軸中間位置的圓盤(pán)構(gòu)成，兩端由不變形的軸承及軸承座支承。這種模型得到的結(jié)論應(yīng)用于簡(jiǎn)單旋轉(zhuǎn)機(jī)械足夠準(zhǔn)確。采用這種基本的結(jié)構(gòu)能夠減小其它因素對(duì)轉(zhuǎn)子運(yùn)行的影響從而突出碰摩故障 [6]。本實(shí)驗(yàn)臺(tái)選擇 高速電主軸，其主要優(yōu)點(diǎn)：電主軸具有結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕、慣性小、振動(dòng)小、噪聲低、響應(yīng)快等優(yōu)點(diǎn)，而且轉(zhuǎn)速高、功率大，簡(jiǎn)化機(jī)床設(shè)計(jì)，是高速主軸單元中的一種理想結(jié)構(gòu)。 工作條件； 常溫、常濕、潔凈。 2 錐軸 東北大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 2 章 壓縮機(jī)故障模擬試驗(yàn)臺(tái)的設(shè)計(jì) 11 壓縮機(jī)故障模擬實(shí)驗(yàn)臺(tái)的錐軸在電機(jī)的帶動(dòng)下高速旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)子 的微小偏心都會(huì)引起很大的離心力，而且在碰摩時(shí)還會(huì)承受沖擊載荷。這里錐軸選用了調(diào)質(zhì)處理的40Cr，該材料強(qiáng)度比碳鋼高約 20％且疲勞強(qiáng)度較高。如果轉(zhuǎn)軸的強(qiáng)度不夠，