中介轴承波纹度及弹流润滑对双转子动力学特性的影响

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中介轴承是航空发动机中联系高、低压转子的特殊轴间轴承,中介轴承表面波纹度及弹流润滑作用都会对双转子系统的动力学特性产生影响。为深入理解中介轴承-双转子系统的非线性振动特性,本文分别对考虑波纹度的中介轴承-双转子系统以及考虑弹流润滑作用的中介轴承-双转子系统的动力学特性进行了研究。主要工作和结论包括:1.对双转子系统动力学特性、考虑表面波纹度的滚动轴承及转子系统动力学特性、考虑弹流润滑作用的滚动轴承及转子系统动力学特性的国内外研究现状进行综述。2.根据拉格朗日方程建立考虑中介轴承表面波纹度的四点支承航空发动机双转子系统模型。数值仿真结果表明,在转速较低时,中介轴承内滚道波纹度对双转子系统动力学特性的影响较为明显,主要体现在:(1)中介轴承波纹度会加剧中介轴承时变刚度的变化,尤其在转速较低时,波纹度对中介轴承时变刚度影响较为显著;(2)中介轴承波纹度会增大较低转速下中介轴承力的幅值,并且轴承力在单位时间内波动剧烈;(3)考虑波纹度后,系统升降速过程中,在主共振峰处出现跳跃和滞后现象,滞后区间大小与中介轴承波纹度常数间隙和滚动体数等因素有关;(4)中介轴承波纹度会使系统频谱图在较低的特定转速下出现连续谱,而在高转速下,系统频率成分与理想中介轴承-双转子系统的频率成分无明显差异;(5)考虑中介轴承波纹度后,在较低转速时,双转子系统分岔与混沌特性更为多变,运动状态复杂。3.根据转子动力学理论和集中质量法建立考虑中介轴承弹流润滑作用的双转子系统动力学模型,通过与不考虑弹流润滑作用的双转子系统动力学特性相对比,研究弹流润滑作用对双转子系统动力学特性的影响。研究结果表明:(1)从幅频曲线来看,弹流润滑作用使高低压转子系统的二阶共振峰右移并且共振峰处振幅减小,而对一阶共振峰附近的振幅及共振峰位置影响较小;(2)改变中介轴承赫兹接触刚度和径向游隙,考虑弹流润滑作用与不考虑弹流润滑作用相比,一阶共振峰处振幅改变小于5%,在二阶共振峰处振幅改变在4%到9%之间,一阶共振峰位置未发生偏移,二阶共振峰向高频移动2%到8%,改变润滑油粘度,对低压转子和高压转子振动幅值影响小于1%;(3)实验结果与仿真结果进行对比,在实验转速区间内,考虑中介轴承弹流润滑作用时系统振动幅值相对改变量小于4%,仿真和实验具有一致性;(4)弹流润滑作用对瞬态响应的抑制作用不强,自由振动衰减经历的时间不会缩短,考虑弹流润滑作用对双转子系统瞬态响应分析具有重要的价值;(5)考虑弹流润滑作用后不会改变中介轴承力随转速变化的曲线的走势,但共振峰向高转速方向移动,并且在较低转速下,考虑弹流润滑作用后轴承力时域波形杂乱,而随着转速增加,不论是否考虑弹流润滑作用,轴承力时域波形都近似呈正弦规律变化。本文的研究结果对深入理解中介轴承-双转子系统的非线性振动特性以及对中介轴承-双转子系统参数优化设计具有指导意义,同时也可为航空发动机故障诊断提供理论基础。
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