旋转机械转子系统振动模态与响应研究

论文总字数：22427字

摘 要

转子系统是汽轮机、燃气轮机、压缩机、泵等旋转机械的核心部件，其动力特性直接影响设备的安全运行。本文以某转子特性实验台轴系为对象，一方面应用有限元分析技术，建立了转子系统三维实体模型，研究了该型实验台转子系统在不同工况下的模态和响应特性。另一方面开展实验研究，根据实验数据对有限元计算模型加以修正，并根据计算结果对实验台转子动力特性进行研究，为结构改进和设计提供理论基础。

论文首先研究了实验台转子质量分布对动力特性的影响，结果表明：在两个圆盘的情况下，两圆盘相距越远则一阶临界转速越高，对二阶临界转速的影响则是非单调的，在一定的转子直径和轴承跨度下，存在一个最小的二阶临界转速。然后计算了理论和实验的误差，确定了模型的正确性和准确性；随后通过改变轴承跨度的影响，圆盘固定时，轴承跨度越大，临界转速越低。最后研究了双圆盘转子系统在单平面加载、双平面同相和反相加载的响应特性，观察响应图并得出结论，同相易激发一阶临界下的响应，反相易激发二阶临界下的响应。

关键词：有限元法； 转子系统； 固有频率； 谐响应分析

Abstract

This paper is to adopt the method of the finite element analysis, in the center of the simulation software to establish the vibration of rotating machinery rotor system test bench entity finite element dynamics model, mainly aimed at the vibration of rotating machinery rotor. First for rotating machinery rotor system test bench for first order critical speed measurement experiment, by changing the disk position measurement under different working conditions, and the problem according to the experimental process, gives Suggestions for the optimization of test bench. After that, when changing the position of different disks and bearings, the rotor system of rotating machinery was analyzed by modal analysis and compared with the first-order critical speed under different working conditions measured by experiments. By analyzing the error of experiment and theoretical data, we can determine the correctness of the entity model, and then explore and verify the abnormal conditions. Finally, the unbalanced response is analyzed.

KEYWORDS: finite element method; rotor system; natural frequency；

Harmonic response analysis

目录

摘要 I

Abstract II

第一章 绪论 1

1.1 研究背景及意义 1

1.2 旋转机械振动研究现状 1

1.3 本文的主要研究内容 3

第二章 转子动力学理论与有限元原理 5

2.1 转子动力学理论基础 5

2.2 有限元方法介绍 6

2.2.1 模态分析理论分析 6

2.2.2 有限元分析技术在转子临界转速计算与不平衡响应中的应用 7

2.3 小结 11

第三章 实验台及实验过程的简单介绍 12

3.1 实验台和器材介绍 12

3.1.1 实验台简介 12

3.1.2 主要测试仪器 13

3.2 实验步骤 14

3.3 实验装置的优化 15

3.4 实验数据记录 15

3.5 总结 17

第四章 实验台转子系统三维实体有限元分析模型 19

4.1 软件简单介绍 19

4.2 转子系统动力特性实体有限元分析模型 19

4.3 模型的分析和优化 22

4.3.1 接触面分析 22

4.3.2 网格划分的影响 23

4.3.3 模态分析与改进 23

4.4 谐响应分析过程 25

4.5 总结 26

第五章 振动模态和响应分析 27

5.1 实验数据和模拟结果对比 27

5.2 工况四状态分析和讨论 34

5.3 轴承位置的影响分析 35

5.4 不平衡谐响应分析 36

5.5 总结 38

第六章 总结与展望 39

6.1 总结 39

6.2 展望 40

致谢 41

参考文献 42

1. 绪论
   1. 研究背景及意义

旋转机械对人类文明的进步起着巨大的推动作用^[1]。汽轮机、燃气轮机、压缩机等大型旋转机械是电力、冶金、等国民经济中基础工业中的核心设备。转子系统作为大型旋转机械的主要组成部分，其动力特性直接影响设备的安全运行。伴随着现代工业效率的提高和生产加工速度的加快，机组如何安全稳定地工作已成为一个越来越重要的问题。因此，转子动力学具有很强的工程应用背景。

由转子和轴承构成的转子系统作为各种类型旋转机械的核心部件，在工业的生产和生活中扮演重要的角色，以转子作为研究核心的旋转机械的相关动力特性研究，慢慢衍变成了独立的学科即为转子动力学。大量数据表明，很大部分的旋转机械振动相关的问题均与转子有关系。例如轴承的不对称、质量不均匀、润滑的补给等问题。振动是影响大型的旋转机械安全工作和运行的重要因素。行业内经常把振动视为机械的“体温计”^[2]。 振动对旋转机械的稳定、安全运行的危害主要表现在以下方面：（1）轴承金属疲劳损耗即振动特别大就会导致对应金属疲劳损耗；（2）由通流部分内流体与接触面的摩擦而致使的轴的弯曲；（3）使零部件遭受较大程度的应力，造成相应器件的损害。

如何避免和减小危害便成为人们共同思考的问题，本文主要研究了转子系统振动模态和响应。第一，振动模态的分析，在查阅转子各构造自身所具备的强度和刚度特性的前提，分析该转子系统结构的固有频率和振型，从而获得理论的临界转速，再与试验的结果对照，优化模型，从而进一步对实验台提出建议和改良意见。第二，响应分析，因为材料的不相同，质量的不均匀，制造时人工和机器所产生的误差等各种因素，在转子系统中质量的偏心必然或多或少的存在。不仅仅是在材料本身和制造过程会产生误差。

• 1. 旋转机械振动研究现状

轴系的振动主要包括弯曲振动、轴向振动和扭转振动。轴系的弯曲振动主要是由于转子的质量偏心引起的，而研究弯曲振动最简单的模型，便是相应的圆盘和具有弹性的转子所组成的，其中质量集中在圆盘，轴承油膜的支撑作用也可以认为是弹性支撑，如此就构成了轴承—转子动力学模型。

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