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1、大型通用机械转子轴承系统的动力学分析 大型通用机械转子轴承系统的动力学分析 Dynamic Analysis for Rotor-Bearing Systems of Large General Machinery【中文摘要】 大型通用机械是国民经济中的重要装备,在能源、石化行业发挥着十分重要的作用。随着大型旋转机械向高速、重载、轻型化和自动化方向发展,带来了转子振动和稳定性问题,特别是流固热多物理场耦合问题。如何在现有技术上综合考虑多重场的激励特征,准确地预计系统的振动和稳定性,是学术界和工程界十分关心的问题。本文的目的是在现有研究基础上,分别研究转子-轴承系统各单元部分并对其进行合成,通过
2、单元技术的合成,综合分析大型转子-轴承系统的动力学运行特征;编制快速的数值求解程序。根据不同润滑条件下转子-轴承系统的润滑特点,确定和选用合适的雷诺润滑方程,同时为了克服轴承润滑雷诺方程解析求解的缺点,采用数值差分法分析滑动轴承的动力润滑参数(刚度系数和阻尼系数)。对系统的转子部分采用有限单元法,分析大型转子的临界转速、主振型和不平衡响应。利用Matlab编制相应的计算程序,并验算例证。同时联系工程运用问题,运用自编的程序和商业通用工程软件ANSYS对某企业生产的泵转子湿态临界转速进行分析。具体工作内容包括:(1)综合前人的理论,建立起转子在不同转速条件,轴承润滑的条件下,该采用何种润滑方程。
3、(2)用差分法求解雷诺润滑方程的润滑膜压力分布,然后依次求静压力(即承载力)、偏位角、小扰动范围内的8个刚度系数和阻尼系数。(3)建立起转子系统的有限元模型。(4)求解转子轴承系统的临界转速、模态、不平衡响应等。分析计算结果,评判系统的稳定性,给出总结。(5)利用商业软件ANSYS分析某类水泵的湿态临界转速。【英文摘要】 Large-scale general machines are important equipment that play important roles in energy and petrochemical industries.Problems of vibratio
4、n and stability,especially the coupling-related problems among multiple physical fields e.g.fluid,solid and thermal,of rotor-bearing systems have been encountered as the rotary machines become high-speed, heavily-loaded,light-weighted and automated.It has been a concern to both the academic and engi
5、neering communities to synthetically consider excitations induced by multiple fields and accurately determine vibration and stability characteristics of the rotary system.The present thesis aims to study all elemental parts of rotor-bearing systems and assemble them based on existent research.The dy
6、namic characteristic of large rotor-bearing systems in operation is investigated through fast and reliable numerical analysis developed by the author.The appropriate Reynolds equation is adopted with various lubricant conditions for the system.The difference method is used to compute the dynamic lub
7、ricant parameters,i.e. stiffness and damping coefficients,of sliding bearings.The finite element method is used to model the rotor assembly of the machine and analyze the critical speeds,modes and unbalanced response.The source code for this method is developed by using the Matlab software and verif
8、ied through examples.A practical problem of computing wet critical speeds for a centrifugal pump manufacture by a domestic company by using the code and ANSYS software.The outline of the authors work is:(1) To Comprehensive previous researches theory,Corresponding lubrication equation is adopted wit
9、h various lubricant conditions and speeds for the system.(2) The difference method is used to compute film pressure distribution of Reynolds Equation、static pressure(bearing capacity)、attitude angle、eight stiffnesses and damping coefficients of small disturbance in turn.(3) The finite element model
10、of rotor systems was established.(4) Rotor-bearing systems critical speed、vibration mode and unbalance response are calculated.Calculation results are analyzed.Stability of systems is judged. Conclusions are obtained.(5) Using the code and ANSYS software,a practical problem of computing wet critical
11、 speeds for a centrifugal pump manufacture by a domestic company.【中文关键词】 转子-轴承系统; 动力学; 数值差分法; 有限元法; 流固耦合 【英文关键词】 Rotor-bearing system; dynamics; difference method; finite element method; fluid-solid interactivity 【论文目录】摘要 4-5 Abstract 5 1 绪论 8-14 1.1 课题的研究背景与意义 8-9 1.2 转子动力学的发展状况 9-11 1.3 转子动力学的建模和计
12、算方法简介 11-14 2.转子-轴承系统的润滑 14-30 2.1 轴承润滑形式 14-16 2.1.1 轴承润滑的形式的判别 14-15 2.1.2 Reynolds方程的无量纲化 15-16 2.2 轴承润滑膜雷诺方程的差分法求解 16-20 2.2.1 轴瓦润滑膜的离散化 16-17 2.2.2 差商表达式的导出 17-19 2.2.3 超松弛迭代法 19 2.2.4 Reynolds边界条件的的纳入 19-20 2.3 轴承润滑的静特征 20-22 2.3.1 润滑膜承载力的计算方法 20-21 2.3.2 偏位角的修正 21-22 2.4 轴承润滑的动特征 22-30 2.4.1
13、润滑膜的刚度和阻尼计算方法 22-27 2.4.2 扰动压力的求得 27-28 2.4.3 水润滑算例 28-30 3.基于有限元法的转子-轴承系统动力学分析 30-47 3.1 有限元方法的采用 30-31 3.1.1 转子-轴承系统有限元法的建立原则和过程简介 30 3.1.2 转子-轴承系统模型的有限元法简化 30-31 3.2 单元的运动方程 31-38 3.2.1 刚性圆盘的运动方程 31-33 3.2.2 Reyleigh梁-轴段单元运动方程 33-37 3.2.3 轴承单元的运动方程 37-38 3.3 转子-轴承系统的整体运动方程 38-43 3.4 转子-轴承系统动力学的计算
14、 43-46 3.4.1 临界转速的计算 43-44 3.4.2 主振型的计算 44 3.4.3 转子-轴承系统稳定性的分析 44-45 3.4.4 转子-轴承系统不平衡响应的计算 45-46 3.5 本章小结 46-47 4 转子-轴承系统动力分析的MATLAB计算 47-58 4.1 润滑膜动力系数的程序设计与计算 47-57 4.2 本章小结 57-58 5 结合通用工程软件的转子-轴承系统动力分析 58-75 5.1 技术路线和有限元建模 58-63 5.2 临界转速计算结果与分析 63-67 5.3 模态分析 67-75 5.3.1 有油膜、有密封、有水状态 68-71 5.3.2 有油膜、无密封、无水状态 71-75 6 总结与期望 75-76 6.1 总结 75 6.2 展望 75-76 参考文献 76-79 攻读硕士学位期间发表学术论文情况 79-80 致谢 80-81