剪切增稠阻尼在转子系统振动控制中的应用研究

摘要

旋转机械如工业压缩机、汽轮机、航空发动机及各种电动机等作为工业的核心设备，在航空、电力、石化、冶金等国民经济领域中起着非常重要的作用。旋转机械在运行过程中，其核心部件-转子系统往往存在振动过大的问题，从而对机组的稳定运行带来不良影响，严重时可致使机组停机甚至发生破坏性事故。从机理上分析，旋转机械的振动原因主要有两个:一个是外界激励造成的强迫振动-不平衡激励或其他故障激励如碰摩、不对中等;另一个是小间隙和介质扰力引发的大幅低频自激振动。现代旋转机械的发展导致转子系统具有细长轴特征，高效率则要求必须缩小转静子间隙，叶片的气动负荷也日益增大，这增大了强迫振动和自激振动的可能性。为保证旋转机械的稳定运行，必须研究转子系统的振动控制问题。 可变阻尼方法，如采用电流变液、磁流变液等制成的阻尼装置，在转子系统的振动控制中应用已经很多，但由这些智能材料制成的变阻尼器件都需要外界能源和附加结构，会增加旋转机械结构的复杂性，因此，迫切需要更简单的可变阻尼控制方法。剪切增稠流体(Shear Thickening Fluids，STF)具有在相对剪切速度增大时粘度和阻尼迅速增大的特性，可用于变阻尼装置的开发，且不需要外界能源，这大大简化了阻尼装置的结构。因此，本论文提出针对转子系统的受迫振动和自激振动，利用STF的自适应阻尼变化特性，进行转子系统振动的被动和半主动控制研究。具体工作为如下几个方面: (1)提出利用剪切增稠材料的阻尼自适应改变特性，开发适用于转子系统振动控制的可变阻尼装置，从而克服电/磁流变阻尼装置结构复杂的缺陷，为实现旋转机械转子系统振动控制的简单化提供了一种新途径。设计了新型剪切增稠阻尼器，并进行了新型阻尼器的数学建模研究。实验表明，设计的STF阻尼器具备良好的可变阻尼性能和可观的应用价值。采用LM算法进行拟合研究表明，Bouc-Wen模型能够很好地描述STF阻尼器呈现的非线性阻尼和非线性刚度特性。 (2)研究了STF阻尼对转子系统受迫振动的抑制和吸振机理，提出了采用STF阻尼器进行转子系统受迫振动的抑制。建立了STF阻尼-转子系统和STF阻尼-吸振器-转子系统动力学方程，采用结合弧长延拓法的增量谐波平衡算法求解非线性滞回力作用下转子系统的稳态响应和不平衡响应进行动态特性理论研究;建立了STF阻尼器-转子系统实验台和STF阻尼器-吸振器-转子实验台并进行了试验验证。理论和试验研究表明，STF阻尼能明显抑制转子系统共振区的大幅振动，并且阻尼效果随着振动不平衡量增大呈现非线性增强，因此STF阻尼具有振幅抑制的自适应特性;并且STF阻尼可以抑制吸振器共振峰的振动，使吸振器的效果更佳。 (3)研究了STF阻尼对转子系统自激振动的抑制机理。采用固定界面模态综合法降维结合Newmark-β数值法进行复杂高维转子系统的自激振动仿真研究，对间隙气流激振力、流体密封力等载荷激励下转子系统的振动响应特性及参数影响进行研究。在此基础上，提出采用自激振动转子系统稳定性区域图选择阻尼的控制方法。结果表明，通过施加非线性阻尼的方法对气流激振或流体密封引起的自激振动具有良好的抑制效果。 (4)提出了通过控制相对剪切速度来实现阻尼可控，从而实现转子系统半主动控制的方法。进行了仿真分析及采用激振器驱动STF阻尼器的转子系统振动半主动控制试验研究。结果表明，通过施加主动控制频率，能够调节并增大阻尼出力，使转子共振幅值得到进一步降低，实现转子振动的半主动控制。最后，为保证装置的简单化，提出采用叠层式压电陶瓷驱动器驱动阻尼器实现控制阻尼的思路。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 选题背景以及课题研究的目的和意义

1．2 国内外研究现状及发展动态分析

1．2．1 转子系统受迫振动控制研究现状

1．2．2 转子系统自激振动控制研究现状

1．2．3 剪切增稠流体及其应用研究现状

1．2．4 目前的发展趋势

1．3 本文的主要研究内容

第2章 STF材料的制备、流变性能研究及阻尼器设计

2．1 STF材料的制备

2．2 STF材料的流变性能研究

2．2．1 质量分数对STF流变性能的影响

2．2．2 分散介质对STF流变性能的影响

2．2．3 不同粒径对STF流变性能的影响

2．2．4 添加微小粒子对STF流变性能的影响

2．3 STF阻尼器设计

2．3．1 剪切速率与活塞速度关系推导

2．3．2 STF阻尼器结构设计

2．4 本章小结

第3章 STF阻尼器的动态特性及力学模型研究

3．1 STF阻尼器的动态性能

3．1．1 STF阻尼器性能测试平台及试验方案简介

3．1．2 不同激励频率时阻尼器的性能

3．1．3 不同材料填充时阻尼器的性能

3．1．4 动态扫频激励时阻尼器的性能

3．1．5 不同流体间隙时阻尼器的性能

3．2 STF阻尼器的力学模型

3．2．1 LM算法

3．2．2 等价线性模型

3．2．3 等价非线性模型

3．2．4 Bouc-Wen模型

3．2．5 改进的加m次速度阻尼项的Bouc-Wen模型

3．3 本章小结

第4章 STF阻尼在受迫振动抑制中的应用研究

4．1．1 转子系统建模方法

4．1．2 STF阻尼器-转子系统动力学方程的建立

4．1．3 增量谐波平衡法-弧长法

4．2 STF阻尼在转子系统受迫振动抑制中的仿真研究

4．2．1 STF阻尼器-转子系统的滞回特性

4．2．2 STF阻尼器-转子系统的幅频响应特性

4．3 STF阻尼在垂直单方向受迫振动抑制中的试验研究

4．3．1 STF阻尼器-悬臂梁系统试验台

4．3．2 试验方案

4．3．3 试验结果与讨论

4．4 STF阻尼在转子多方向受迫振动抑制中的试验研究

4．4．1 STF阻尼器-Bently转子系统试验台

4．4．2 试验方案

4．4．3 试验结果与讨论

4．5 本章小结

第5章 STF阻尼在转子系统吸振中的应用研究

5．1 含STF阻尼器的动力吸振器结构及动力学方程

5．1．1 含STF阻尼器的动力吸振器结构

5．1．2 永磁机构刚度分析

5．1．3 吸振器-转子系统动力学方程

5．2 STF阻尼在转子系统吸振中的仿真研究

5．2．1 仅考虑线性阻尼时吸振器转子系统的动力学响应

5．2．2 考虑非线性阻尼时吸振器转子系统的动力学响应

5．3．1 试验装置的组成

5．3．2 试验结果与讨论

5．4 本章小结

第6章 STF阻尼在转子系统自激振动抑制中的应用研究

6．1 研究所采用的方法概述

6．1．1 固定界面模态综合法

6．1．2 Newmark-β法结合Newton-Raphson迭代法

6．1．3 双跨压缩机转子系统建模

6．2 间隙气流激振力的自激振动特性分析

6．2．1 间隙气流激振力概述

6．2．2 Bently转子系统间隙气流激振力作用的振动特性

6．2．3 双跨压缩机转子系统间隙气流激振力作用的振动特性

6．3 流体密封力的自激振动特性分析

6．3．1 流体密封力概述

6．3．2 Bently转子系统流体密封力作用的振动特性

6．3．3 双跨压缩机转子系统流体密封力作用的振动特性

6．4 STF阻尼在转子系统自激振动抑制中的应用研究

6．4．1 STF阻尼对含气流激振力的转子系统自激振动的影响

6．4．2 STF阻尼对含密封力的转子系统自激振动的影响

6．5 本章小结

第7章 基于可控阻尼的转子系统振动半主动控制方法

7．1 相对速度控制阻尼原理

7．2．1 半主动控制转子系统建模

7．2．2 控制参数对阻尼的影响

7．3 转子系统振动半主动控制的试验研究

7．4 STF阻尼器-转子系统振动半主动控制方法

7．5 本章小结

第8章 结论与展望

8．1 结论

8．2 主要创新点

8．3 展望

参考文献

致谢

附录