复杂盘/鼓轴/联轴器系统非线性动力学特性研究

The coupling is commonly a device used to connect two shafts together for the purpose of transmitting power, such as aero-engine and gas turbine. In the actual operation, the nonlinear dynamics characteristics of the coupling may lead to violent vibration and further bring serious disasters. The project belongs to subject of interdiscipline between mechanics and mechanical design, and it is an applied background research. The disk/drum-shaft/coupling system as the research object, the influences of the parameters on the disk/drum-shaft/coupling system are overall studied with the basis of the rotordynamics theoretical analysis and nonlinear dynamics theoretical analysis. Firstly, the equivalent calculation model of the nonlinear meshing stiffness is researched, and the misalignment model caused by the clearance nonlinearity of the coupling is also researched. Then their mechanism are analysed. The nonlinear dynamic model of the disk/drum-shaft/coupling system is presented, moreover the influence of structural parameters on the stability and dynamics behaviors is analysed. For the different nonlinear factors, the evolution law and mechanism of the nonlinear dynamics characteristics of the self-excited vibration, the bifurcation of periodic solutions and the superharmonic resonance, are researched. And the control strategies of the complicated nonlinear dynamics characteristics of the system, with the coupled effects of different nonlinear dynamics factors, are provided. Lastly, the analysis method and theory for the high dimensional system on the complicated nonlinear dynamics characteristics are further studies, and the nonlinear dynamic designing theory can be developed. It provided the reliable theoretical basis and technical support of China's rotating machinery dynamics stability design.

联轴器作为航空发动机和燃气轮机等动力装置之间的连接结构,在实际工作中会因其自身结构的非线性动力学特性导致轴系振动过大而引发重大事故。本项目属力学和机械学科交叉应用基础研究，以复杂盘/鼓轴/联轴器系统为主要研究对象，应用转子动力学、非线性动力学理论和方法，综合考虑盘/鼓轴/联轴器系统结构各参数之间耦合关系，研究套齿联轴器非线性啮合刚度等效计算模型和间隙非线性引起的不对中故障模型，并分析其演变机理；建立复杂盘/鼓轴/联轴器系统非线性动力学模型，分析结构参数对轴系稳定性等动力学特性的影响规律；研究在不同非线性因素下盘/鼓轴/联轴器系统自激振动、周期解分岔、超谐共振等非线性动力学特性的演变规律，提出多非线性因素耦合作用下盘/鼓轴/联轴器系统复杂非线性动力学特性的控制策略；进一步探索研究高维系统复杂非线性动力学特性的理论分析方法及非线性动力学设计理论，为我国旋转机械轴系非线性稳定设计提供理论指导。

联轴器作为航空发动机和燃气轮机等动力装置之间的连接结构,在实际工作中会因其自身结构的非线性动力学特性导致轴系振动过大而引发重大事故，据统计大约60%的转子故障是由轴系不对中引起或与之相关的。本项目属力学和机械学科交叉应用基础研究，以复转子-联轴器系统为主要研究对象，应用转子动力学、非线性动力学理论和方法，综合考虑转子-联轴器系统结构各参数之间耦合关系。 .首先根据联轴器不对中的运动特征，应用拉格朗日法建立联轴器不对中动力学方程，得到3自由度的联轴器不对中参激振动系统，分析了联轴器在不对中条件下动力学特性。随后对动力学系统中的非线性项进行三次截断，应用平均法分析等效系统的周期解析解，并进一步得到了含有6个未知数的分岔方程。由分岔方程得到了幅频响应曲线，并描述了在共振频率附近系统振动幅值的变化规律，其理论分析结果对实际工程参数设计具有理论参考价值。最后通过数值仿真，分别分析了转子-联轴器不对中参激振动系统和在滚动轴承支承下的不对中转子系统的非线性动力学特性。转子-联轴器不对中参激振动系统主要受转速、阻尼系数、不平衡量和不对中量的影响，系统在不对中因素下的动力学响应为拟周期运动，转速越低，阻尼越大，不对中故障的影响越严重，不平衡与不对中的比值对系统响应的影响也很明显，且比值越高基频成分越高。滚动轴承支承下的转子系统在不对中故障的影响下会出现拟周期和混沌运动等振动，其动力学响应具有分频和倍频成分，且分频成分显著，倍频成分较弱。.根据理论分析结果，设计了转子-联轴器实验台及三种套齿联轴器进行测试。有实验数据可知外套质量增加，会增加系统对不对中量的敏感程度；随着转速增加，不对中系统振动1倍频会增加明显，2倍频增加不明显；在高转速下系统振动频谱会表现出系统存在不平衡质量的动力学特性；不对中在高转速和低转速下会导致套齿联轴器发生异常响动。.项目通过非线性动力学理论和数值分析等方法很好的揭示转子-联轴器不对中系统非线性动力学特性及其作用机理，为工程动力学设计提供了理论分析基础，具有一定的工程实际指导意义。