非线性支承转子系统振动分析及应用

Sudden abnormal vibration faults of rotor systems usually appear in rotating machines, which may cause sever vibration accidents of aero engines. Therefore, it is necessary to improve the targeted theoretical research work on rotor systems. Dynamic characteristics of supporting structures can directly affect vibrational behaviors of rotor systems. It is also the key point of accurately predicting rotor systems' vibrational behaviors. Bearings, squeeze film dampers and squirrel cage type elastic support structures are main support structures, which can form support assemblies. Their dynamic characteristics show nonlinear properties and coupling with rotor systems' vibrational behaviors. Therefore, the investigation of nonlinear vibration of rotor systems with supporting assemblies is urgently needed. Focused on advanced turbofan engines' support-rotor systems, nonlinear vibration problems of rotor systems with supporting structures will be investigated in the present project. Firstly, based on the establishment of equivalent models of each supporting assembly, the nonlinear dynamic model of the whole system will be developed. After that, the effect of each structural characteristic parameter on rotor systems' dynamic behavior will be studied. Moreover, considering the rubbing fault features, the investigation of the effect of rubbing parameters on rotor systems' vibrational behaviors will be developed. Finally, dynamic similitude model tests will be employed to validate the results. The present project can lay the foundation of addressing unexpected abnormal vibration problems, especially large vibrational amplitudes, vibrational catastrophes and slowly varying problems of rotating machines such as aero engines.

转子系统的突发振动异常故障在旋转机械中经常发生，且常引起严重的整机振动事故，因此，必须深入开展有针对性的转子系统振动理论研究。支承结构的动态特性直接影响转子系统振动行为，是准确预估转子系统振动行为的关键因素。轴承、挤压油膜阻尼器和鼠笼式弹支结构是主要支承结构，可组成支承组件，其动态特性具有非线性且与转子系统振动行为具有耦合性，故对带有支承组件的转子系统非线性振动研究有迫切需求。本项目以先进涡扇发动机支承转子系统为对象，开展带有支承的转子系统非线性振动分析。首先，在建立各支承组件等效模型的基础上，建立系统整体非线性动力学模型；然后，研究各结构特征参数对转子系统动力学行为的影响，进而针对碰摩故障特征，开展碰摩参数对转子系统振动行为的影响研究；最后，进行动力学相似模型试验和验证。本项目可为解决航空发动机等旋转机械的突发振动异常，特别是由于支承组件所导致的振幅过大、振动突变和慢变等问题奠定基础。

大型旋转机械广泛应用于航空航天、能源动力等许多重要工业部门，其核心部分-转子系统结构形式复杂，工作条件恶劣，振动问题十分突出。支承结构的动态特性直接影响转子系统的振动行为和稳定性，是准确预估转子系统振动行为的关键因素。轴承、挤压油膜阻尼器和鼠笼式弹支结构是支承结构的主要部件，其动态特性具有高度非线性，且与转子系统振动行为具有强耦合性，故开展考虑典型非线性支承结构的转子系统动力学分析理论研究有迫切需求。.本项目以先进涡扇发动机组合支承转子系统为对象，基于赫兹接触理论和有限元法等理论建立滚动轴承、挤压油膜阻尼器和弹性支承结构等各支承组件的等效模型，分析了转速比、轴承间隙、不平衡量对不同位置运动形式和振动主频的影响。考虑实际支承和质量分布情况，建立了组合支承转子系统模型，结合半解析法、谐波平衡法和弧长延拓法追踪了组合支承在不平衡激励下的频响曲线，分析其双稳态滞后和跳跃的频响规律；其次，基于振动理论和非线性动力学理论研究了支承结构对发动机转子系统非线性响应的影响、分析了滚动轴承-复杂转子系统的非线性振动特性，揭示了非线性支承转子系统分岔行为及其产生机理；进一步探索了由支承结构优化及动平衡减小转子系统振动水平的理论及方法，并针对传统动力学建模方法存在的诸多不足，研究了基于NARX（非线性有源自回归）模型的非线性支承转子系统辨识方法，实现非线性支承转子振动响应预测及故障分类。在以上建模基础上，进一步研究了组合支承-转子系统的碰摩故障特征。分析了点碰摩、整周碰摩故障下的特征参数，对转子系统振动行为和稳定性的影响，以及对支承组件的影响规律。最后，基于动力学相似理论，通过模型试验对真实结构系统的动力学特性及碰摩故障特征进行再现与验证。.本项目考虑非线性支承转子系统的动力学特性及其稳定性问题，是非线性转子动力学、转子系统振动与故障分析进一步丰富和发展的重要方向，具有重要的科学理论意义。为发动机转子支承系统振动测试、故障预测、诊断和动力学相似模型试验提供相应的理论依据。所取得的研究成果在国内有关设计制造企业中得到应用，将为我国发动机设计水平的提高和自主知识产权的掌握做出贡献。