涡轮增压器非线性动力学与故障机理研究

Locomotive turbocharger is a typical double cantilever rotor with the working conditions of high-speed, high temperature and heavy load. With the high failure rate in actual operation, the nonlinear dynamics and common fault mechanisms of turbocharger are researched under the multi-field coupling effect. Non-uniform thermal field with a large temperature gradient and nonlinear aero force are considered to affect the dynamic load distribution, imbalance changes and support features, and the theoretical analysis and experimental verification of gas-solid-heat coupling are explored. With nonlinear connection interface, nonlinear bearing force and nonlinear aero force, the stability mechanism is analyzed under a wide range work speed. The fault mechanisms and nonlinear model descriptions of common faults such as rubbing and crack are precisely analyzed, considering the local thermal effect and axial effect of rubbing, detuning effect of blade crack. The fault expansion process, the fault evolution, associated path and fault coupling are analyzed to provide a theoreti5cal basis for methods and techniques for the design and optimization of double cantilever rotor.

机车涡轮增压器是一种典型的双悬臂转子，其工况具有高速、高温、重载等特点，在实际运行中故障率高，本项目研究涡轮增压器在多场耦合作用下的非线性动力学特性以及常见故障机理。通过研究大温度梯度下的不均匀热场以及非线性气动力对增压器转子的动载荷分布、轴向质量分布和支撑特性改变，探索气、固、热多场耦合的理论分析方法和实验验证，分析大范围工作转速下系统在非线性界面连接特性、非线性轴承力和非线性气动力下的稳定性机制；分别建立碰摩和裂纹故障的更精确、更完善的数学模型，如考虑碰摩故障的轴向效应和局部热效应、叶片裂纹的失谐效应等，分析涡轮增压器的常见故障产生机理以及扩展历程，进而探索增压器失效演化规律与关联路径、多种失效形式的耦合方式，最终为双悬臂转子的设计和优化提供理论方法和技术基础。

涡轮增压器是机车提高内燃机功率，降低尾气排放的重要装备。作为典型的双悬臂转子，其在高速、高温、重载情况下，故障率高发，研究研究涡轮增压器在多场耦合作用下的非线性动力学特性以及常见故障机理具有重要意义。本项目首先建立了涡轮增压器的三维结构模型，并根据试验结果在涡轮增压器沿轴向施加温度载荷，分析了大温度梯度下的不均匀热场以及非线性气动力作用下的增压器转子的动力学特性,研究了非线性轴承力和非线性气动力下的大范围工作转速下的系统稳定性。其次在考虑陀螺效应的情况下，考虑偏置转子碰摩时沿轴向的碰摩面受力不均匀这一特性，建立了一种全新的空间碰摩模型，研究了考虑轴向效应作用的动力学特性，同时试验分析了叶片机匣碰摩的局部热效应对系统的动力学特性影响。另外对盘轴系统松动时的运动情况进行了分析，提出了新的盘轴之间接触力的模型，获得了松动故障特有的“速度差”和“转速分离”现象。最后对机车涡轮增压器涡轮叶片产生裂纹后对涡轮的动力学影响进行分析，建立了含裂纹的悬臂梁的理论模型，通过应变能释放率和材料力学公式推导出含裂纹梁的刚度矩阵，完善了理论模型，获得了含裂纹的涡轮的振动特性变化规律。研究结果可以为涡轮增压器的安全稳定运行以及具有自主知识产权的增压器结构设计及性能优化提供理论基础和技术支持。本项目共发表论文7篇，其中SCI收录2篇，EI收录3篇，获得专利授权1项，培养硕士研究生4人。