高速转子多阶多平面瞬态动平衡方法研究

摘要

转子的动平衡是保证旋转机械正常运行所必须的工艺过程。转子系统的平衡方法，基本属于稳态平衡方法，大多是借助某些特定的平衡识别设备在某几个特定转速下进行平衡的。这类稳态平衡方法不仅费时，而且还不便于现场平衡。为此，研究一种适用于实际发动机转子系统，能准确和高效地识别高速转子不平衡响应的瞬态平衡方法是十分重要的。
　　本文利用高速转子加速起动过程中的振幅响应信息，进行瞬态动平衡方法研究。围绕这一核心内容，提出了高速转子多阶多平面瞬态动平衡方法，建立了变速转子瞬态不平衡响应的高精度仿真算法，通过建立的动力涡轮转子模型分别开展动平衡方法仿真研究及其稳定性和适用性分析。此外，以设计的高速转子起车试验对提出的动平衡方法的有效性和适用性进行验证。论文的主要工作包括：
　　1.高速转子多阶、多平面瞬时动平衡方法
　　将不平衡方位角识别和测点模态比系数应用于高速转子多阶多平衡面动平衡。利用4次加试重加速起车的不平衡振动响应信息，将不平衡试重按照各阶模态共振区进行分解，在多个平衡校面上同时加不平衡试重，从而完成前三阶模态的不平衡校正的瞬态动平衡方法。通过柔性转子和实际动力涡轮转子系统的模拟仿真对提出的平衡方案进行了验证，确立了所建立的瞬时动平衡方法的可行性。
　　2.变速转子瞬时响应的精细积分算法
　　以典型的多盘柔性转子模型为例，推导并建立了基于Magnus级数展开式、适用于变速转子时变运动微分运动方程求解的精细积分法。对所建立的算法开展计算稳定性、积分精度以及计算效率等方面的研究，并与Newmark-β法的结果进行对比分析。在此基础上，以所提出的算法深入分析了柔性转子结构参数瞬态不平衡响应的内在机理，比较了不同算法对不平衡量的识别精度，确定了变速转子精细积分法在瞬时不平衡响应识别上的适用性。
　　3.涡轴发动机动力涡轮转子瞬态响应分析
　　将涡轴发动机动力涡轮转子系统简化为转子—轴承系统，提出合理的简化理论和建模准则，分别用传递矩阵法和有限元法建立适用于瞬时不平衡响应分析的运动微分方程。分析了不同算法得到瞬态响应结果的差异性，在大型旋转机械分析软件Samcef/Rotor中建立涡轴发动机动力涡轮转子系统二维多谐波轴对称模型，利用前三阶临界转速和振型验证了动力涡轮转子模型的准确性。在此基础上分别计算了升速过程中瞬时不平衡响应和突加不平衡响应，总结动力涡轮转子系统瞬时不平衡响应机理。为复杂柔性转子系统的不平衡识别奠定了基础。
　　4.涡轴发动机动力涡轮转子基于起动响应信息的瞬态动平衡
　　依照所提出的平衡方案，结合动力涡轮转子本身的结构特点，研究了不同平衡面在相同条件下动平衡效果。通过研究具有多个分布不平衡质量作用下，不同平衡面组合对平衡效果的影响，确定了前两阶模态平衡的校正面选取。
　　5.动力涡轮转子系统瞬态动平衡方法稳定性和适应性研究
　　研究了动力涡轮转子系统起动过程中受到转速变化、噪声影响和支承非线性等影响因素作用时，对瞬时动平衡方法的平衡精度和平衡效果所产生的影响。总结归纳本文提出的瞬时动平衡方法在高速转子系统中的适用效果。
　　6.动力涡轮转子系统瞬态动平衡试验研究
　　设计了高速旋转器不平衡响应试验的试验方案，测量得到了动力涡轮转子系统基于起动过程的不平衡振动信号。利用跟踪滤波对所采集的非平稳信号进行平滑处理，对比分析了滤波前后响应识别效果。最后利用本文提出的动平衡方法求得动力涡轮转子系统的不平衡识别结果，初步验证所提出的动平衡方法在复杂转子系统中的适用性和有效性。

目录

第一章 绪 论

1.1 选题的目的和意义

1.2 旋转机械仿真研究

1.3 转子动力学研究现状

1.4 本文的研究内容

第二章 变速转子瞬时不平衡响应的精细积分

2.1引 言

2.2 变速转子运动微分方程

2.3 基于Magnus展开式的精细积分算法

2.4 算法分析

2.5 实验验证

2.6 本章小结

第三章 基于升速响应信息的多阶多平面动平衡方法研究

3.1引 言

3.2 平衡理论

3.3 不平衡校正试重分配方案

3.4 方案1平衡算例

3.5 方案2平衡算例

3.6 本章小结

第四章 涡轴发动机动力涡轮转子瞬态响应分析

4.1 引 言

4.2 动力涡轮转子仿真模型建立

4.3 动力涡轮转子系统运动微分方程

4.4 SAMCEF/ROTOR瞬态响应分析

4.5 本章小结

第五章 动力涡轮转子瞬态动平衡方法研究

5.1引 言

5.2 基于升速响应振幅信息的多阶多平面动平衡仿真计算

5.3 利用不同平衡凸台进行多不平衡量模态动平衡

5.4 本章小结

第六章 动力涡轮转子瞬态动平衡的影响因素研究

6.1引 言

6.2 转速不稳的影响

6.3 混合噪声影响

6.4 转速不稳与混合噪声影响

6.5 涡轴发动机动力涡轮转子非线性对动平衡方法影响分析

6.6 本章小结

第七章 动力涡轮转子瞬态响应信号处理和不平衡识别

7.1 引 言

7.2 试验装置和测量设备

7.3 动力涡轮转子瞬态响应信号处理

7.4 动力涡轮转子不平衡识别

7.5 本章小结

第八章 全文总结与研究展望

8.1 全文工作总结

8.2 主要结论及创新点

8.3 高速转子瞬态动平衡的研究展望

参考文献

致谢

攻读博士学位期间发表的论文和参加科研情况

声明