裂纹转子-轴承系统动力学特性研究

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高转速、大功率、柔性转子是近年来高速旋转机械的发展趋势,它在提高性能的同时也使转子系统承载了更高的应力,这对转子系统的设计和制造提出了更高的要求。然而即使转子系统经过非常完善的设计开发,在某些部分也会引起局部的应力集中,从而导致转子裂纹的产生与扩展。如果这些故障没有及时的发现,将会导致严重的事故甚至会产生灾难性的后果。因而研究裂纹转子故障对实现旋转机械的状态监测和预报意义重大。本文主要基于有限元理论,建立了含斜裂纹、直裂纹和半抛物线斜裂纹的转子系统有限元模型,研究了在弹性支承和油膜支承下一个单跨双盘转子-轴承系统在不同裂纹参数下的动力学响应。首先基于断裂力学理论及Castingliano定理,分析推导了直裂纹、斜裂纹以及半抛物线斜裂纹柔度计算公式以及裂纹单元的有限元矩阵,并建立单跨双盘转子-轴承系统有限元方程。利用应力强度因子为零法来模拟裂纹的呼吸效应,并在此基础上跟文献裂纹柔度进行了对比验证,说明本文裂纹推导的正确性。其次,以文献单盘Jeffcott转子系统为研究对象,跟文献不同裂纹开闭线下柔度曲线进行了对比,并在定裂纹深度和不同裂纹深度下研究了直裂纹、斜裂纹和半抛物线斜裂纹的刚度特性变化规律。在刚性支承下研究了不同裂纹位置和不同裂纹深度下Jeffcott转子系统固有特性变化规律,并在定转速下研究了分别在偏心激励和偏心和扭转激励作用下系统直裂纹、斜裂纹和半抛物线斜裂纹的响应特性。最后,分别研究了单跨双盘直裂纹、斜裂纹和半抛物线斜裂纹转子系统,在弹性支撑下研究了两盘不同偏心相位差下裂纹转子系统水平和扭转方向的响应变化规律,并分析了不同裂纹参数:裂纹单元位置、转盘偏心量和裂纹深度对裂纹转子系统的响应变化规律的影响。在油膜支撑下研究了系统在定裂纹深度下两盘不同偏心相位差下裂纹转子系统在水平和扭转方向振动响应变化规律。恒定加速度下分别研究了3种形式裂纹在刚性支承和油膜支承下两种裂纹深度下裂纹转子系统水平和扭转方向时域和频域响应变化规律。
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