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航空发动机不对中转子动力学仿真研究

作者：陈湃

来源：《中国科技博览》2018年第13期

[摘 要]旋转机械是从工业革命以后逐渐兴起且被越来越广泛使用的一种机械，随着对旋转机械的不断研究，这种机械已经在大型工业中必不可少，在航空航天设备上，尤其是民用航空发动机也被广泛使用。本文通过以下几方面研究转子动力学相关问题：简单介绍民用航空发动机转子动力学的理论机制，给出基本的转子动力学理论公式；根据转子系统经常出现的故障，设计一种兼具不对中和碰摩两种故障测试的实验台；利用matlab分析含联轴器和含联轴器综合不对中双跨转子-滑动轴承系统碰摩分析。

[关键词]转子系统；滑动轴承；联轴器综合不对中；动力学非线性。

中图分类号：V263.6 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2018）13-0110-01 1 航空发动机转子动力系统理论研究基础 1.1 动力学数值计算方法

转子动力学的数值计算方法到目前为止，比较成熟且被普遍使用的方法有：Euler法，Admas线性多步法。本文求解转子系统的二阶常微分方程组是用的四阶-五阶变步长Runge-Kutta算法，求解公式为： （1-1）

其中，在t=t+nh处的第n个因变量值是yn，h为积分步长。 1.2 模型的研究

从最早由Jeffcott提出的简单转子模型作为转子动力学模型至今，人们已经将此模型不断改进，加入更多不同的耦合方式，从而得到更多的耦合模型用以研究，来不断克服在实际问题中出现的耦合故障问题。如现在已经使用的多跨度双转子模型，转子不对中模型等等。 1.3 转子动力学故障类型 （1）平行不对中模型

当两个联轴器不在同一水平线，它们相互平行却保持一定的距离，此时称为平行不对中。 （2）偏角平行不对中模型

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如图1所示为综合不对中故障示意图，图中联轴器的受力和运动是平行不对中以及偏角不读中综合作用的结果。

2 模拟转子不对中以及碰摩测试的实验台

此实验台包括底座，电机，转子，联轴器等，其中不对中模拟机构可以通过旋转底座转动，轴承座在轴承安装槽中的径向移动实现不对中的模拟。动静碰摩模拟机构则是通过阶梯转盘和碰摩架实现，碰摩架和阶梯转盘组成的机构可以在底座上轴向移动，通过阶梯转盘的各个转盘不同转盘可以实现局部碰摩和完全碰摩。具体各个零件的工作功能将在下面介绍。此实验台的设计可以将多个测试结合在一起，能够更方便的测试各种性能及工作状态（图2）。 主要目的是通过设计一个能够同时进行转子不对中故障以及碰摩故障测试的实验台来更加深刻的了解这两种故障的原理以及测试方法。此实验台只是一个概念模型，很多细节并不完善，并且对于不对中故障的模拟也是最常见到的，在设计理念方面仍然可以继续改进，但是可以通过这种将多个故障整合在一个实验台的思维继续开发新的实验台。 3 含联轴器的转子系统特性分析

3.1 含联轴器双跨转子-滑动轴承系统模型研究

图3为双轴支撑双跨转子-滑动轴承系统模型，该模型在图1模型的基础上引入联轴器，轴承的支撑从原有的3个轴承变为4个轴承，两个单转子通过联轴器实现动力传输，转子由轴1和轴2两段轴组成，下面主要先分析在有联轴器情况下，转子的各种动力学特性。 3.2 含联轴器综合不对中双跨转子-滑动轴承系统模型非线性分析

利用matlab对转子系统综合不对中情况下的碰摩故障进行仿真，如图4所示： 3.3 小结

借助matlab来对不同情况下的转子碰摩故障状态进行分析，通过对比无联轴器、含联轴器以及含联轴器综合不对中情况下的转子运动状态，直观的显现出了这三种情况下，转子出现的碰摩问题。通过比较无联轴器、含联轴器和含联轴器综合不对中状态下的各个转速下的各个图形。可知同一联轴器下，随着转子转速增大，转子运动状态变得不稳定，由最开始的周期运动变为拟周期与混沌状态交替出现，并且随着转速的增大，振动状况也变大。而无联轴器与含联轴器相比，含联轴器会更加稳定。但是，含联轴器容易出现平行不对中、倾角不对中以及综合不对中的故障出现，这会使得转子的运动更加不稳定。有效减少联轴器的三种不对中故障可以使转子运动更加稳定，更加安全。 4 结论

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通过本次研究，对几种转子模型的分析进行总结。

1.根据转子系统可能出现的不对中和碰摩故障，设计一个具有不对中和碰摩测试的试验台架，这个实验台架可以通过调整轴的径向位移，调整旋转台的角度完成模拟平行不对中、倾角不对中和综合不对中三种形式。其次，在轴的中间安装碰摩机构，可以模拟各种状态下的碰摩状态。

2.对无联轴器、含联轴器和含联轴器不对中双跨转子-滑动轴承系统模型三种形式进行碰摩分析，通过分析综合不对中情况下的各个图像，可以看出，有不对中故障出现时，转子更容易进入混沌运动。 参考文献

[1] JING Jianping， MENG Guang， SUN Yi， et al. On thenon-linear dynamic behavior of a rotor-bearing system[J]. Journal of Sound and Vibration， 2004， 274（3–5）：1031–1044. [2] 姚红良大型转子试验台动态特性分析，沈阳：东北大学，2003. 作者简介

陈湃（1981.12-），男，汉族，福建福安人，硕士，航空技术管理方向。