计算物理 ›› 2022, Vol. 39 ›› Issue (6): 733-743.DOI: 10.19596/j.cnki.1001-246x.8503
收稿日期:
2022-01-10
出版日期:
2022-11-25
发布日期:
2023-04-01
通讯作者:
南国防
作者简介:
余登亮(1996-),男,硕士研究生,研究方向为转子系统耦合故障动力学,E-mail: 1836031906@qq.com
Dengliang YU(), Guofang NAN*(
), Shan JIANG, Chuanchong SONG
Received:
2022-01-10
Online:
2022-11-25
Published:
2023-04-01
Contact:
Guofang NAN
摘要:
研究含波纹度滚动轴承支撑下裂纹转子系统发生碰摩故障时的动力学特性。建立滚动轴承内外圈表面的波纹模型,采用综合模型描述转子轴系的呼吸型裂纹,研究转子系统与定子碰摩的非线性动力学特性。根据拉格朗日方程建立四自由度含波纹度滚动轴承支撑下裂纹-碰摩转子系统动力学方程,采用四阶Runge-Kutta方法进行数值求解,研究波纹度幅值、波纹数、轴承间隙及偏心量等参数对系统非线性特性的影响。结果表明:在低转速区间,随着波纹度最大幅值的增大,系统振动响应逐渐混乱,间谐波数量以及幅值随之增大,且逐渐出现连续特征谱。随着转速的逐渐增大且到达临界转速后横向位移随着轴承间隙的增大逐渐减小,随着偏心量的增大逐渐增大。到达超临界转速后,转子系统呈现出较强的非线性特征,横向位移随着最大幅值的增大而逐渐增大,振动响应随着偏心量的增大由混沌运动转变为周期1运动和拟周期运动。大轴承间隙下,系统在低转速区随着轴承间隙的增大而趋于稳定,在超高转速区则一直处于混沌运动中。波纹数与滚珠个数一致的系统相比不一致的系统在低转速区更加稳定,超临界转速区更加混乱。
余登亮, 南国防, 姜珊, 宋传冲. 滚动轴承支撑下转子系统的耦合故障动力学[J]. 计算物理, 2022, 39(6): 733-743.
Dengliang YU, Guofang NAN, Shan JIANG, Chuanchong SONG. Coupling Fault Dynamics of Rotor System Supported by Rolling Bearing[J]. Chinese Journal of Computational Physics, 2022, 39(6): 733-743.
参数 | 值 |
轴承处集中质量m1/kg | 4 |
轮盘处集中质量m2/kg | 32.1 |
无裂纹转轴刚度k/(N·m-1) | 2.5 × 107 |
轴承阻尼c1/(N·m·s-1) | 1 050 |
圆盘阻尼c2/(N·m·s-1) | 2 100 |
摩擦系数f | 0.1 |
定子径向刚度kr/(N·m-1) | 3.5 × 107 |
转定子间隙δ/m | 2 × 10-5 |
偏心量e/m | 1 × 10-5 |
最大幅值A/m | 1 × 10-6 |
波纹数Nw | 8 |
表1 系统主要参数
Table 1 Main parameters of the system
参数 | 值 |
轴承处集中质量m1/kg | 4 |
轮盘处集中质量m2/kg | 32.1 |
无裂纹转轴刚度k/(N·m-1) | 2.5 × 107 |
轴承阻尼c1/(N·m·s-1) | 1 050 |
圆盘阻尼c2/(N·m·s-1) | 2 100 |
摩擦系数f | 0.1 |
定子径向刚度kr/(N·m-1) | 3.5 × 107 |
转定子间隙δ/m | 2 × 10-5 |
偏心量e/m | 1 × 10-5 |
最大幅值A/m | 1 × 10-6 |
波纹数Nw | 8 |
图5 不同最大幅值下系统振动响应分岔图(a) A=1 × 10-6 m; (b) A=3 × 10-6 m; (c) A=4 × 10-6 m
Fig.5 Bifurcation diagrams of system vibration response under different maximum amplitudes (a) A=1 × 10-6 m; (b) A=3 × 10-6 m; (c) A=4 × 10-6 m
图6 不同最大幅值下系统振动响应频谱瀑布图(a) A=1 × 10-6 m; (b) A=3 × 10-6 m; (c) A=4 × 10-6 m
Fig.6 Spectrum waterfalls of system vibration response under different maximum amplitudes (a) A=1 × 10-6 m; (b) A=3 × 10-6 m; (c) A=4 × 10-6 m
图7 ω = 1350 rad ·s-1、A = 1 × 10-6 m时耦合故障系统(a) 时间历程、(b) 频谱及(c) Poincaré截面
Fig.7 (a) Time history, (b) spectrum and (c) Poincaré section of coupled fault system at ω = 1350 rad ·s-1, A = 1 × 10-6 m
图8 ω = 350 rad ·s-1时不同最大幅值的耦合故障转子系统频谱(a) A = 1 × 10-6 m; (b) A = 3 × 10-6 m; (c) A = 4 × 10-6 m
Fig.8 Spectrum diagrams of a coupled fault rotor system with different maximum amplitudes at ω = 350 rad ·s-1 (a) A = 1 × 10-6 m; (b) A = 3 × 10-6 m; (c) A = 4 × 10-6 m
图9 不同波纹数下系统振动响应分岔图(a) Nw = 7; (b) Nw = 9; (c) Nw = 10
Fig.9 Bifurcation diagrams of system vibration response under ripple numbers (a) Nw = 7; (b) Nw = 9; (c) Nw = 10
图10 不同波纹数下系统振动响应频谱瀑布图(a) Nw = 7; (b) Nw = 9; (c) Nw = 10
Fig.10 Waterfalls of system vibration response spectrum under ripple numbers (a) Nw = 7; (b) Nw = 9; (c) Nw = 10
图11 ω = 1450 rad ·s-1、Nw = 10时耦合故障转子系统(a) 时间历程、(b) 轴心轨迹、(c) 频谱和(d) Poincaré截面
Fig.11 Time history, (b) axis trajectory, (c) spectrum and (d) Poincaré section diagram of coupled fault rotor system at ω = 1 450 rad ·s-1 and Nw = 10
图12 不同轴承间隙下系统振动响应分岔图(a) r = 20 × 10-6 m; (b) r = 30 × 10-6 m; (c) r = 40 × 10-6 m
Fig.12 Bifurcation diagrams of system vibration response under different bearing clearance (a) r = 20 × 10-6 m; (b) r = 30 × 10-6 m; (c) r = 40 × 10-6 m
图13 不同轴承间隙下系统振动响应频谱瀑布图(a) r = 20 × 10-6 m; (b) r = 30 × 10-6 m; (c) r = 40 × 10-6 m
Fig.13 Spectrum waterfalls of system vibration response under different bearing clearances (a) r = 20 × 10-6 m; (b) r = 30 × 10-6 m; (c) r = 40 × 10-6 m
图14 不同偏心量时的系统振动响应分岔图(a) e = 2 × 10-5 m; (b) e = 3 × 10-5 m; (c) e = 5 × 10-5 m
Fig.14 Bifurcation diagrams of system vibration response under different eccentricity (a) e = 2 × 10-5 m; (b) e = 3 × 10-5 m; (c) e = 5 × 10-5 m
图15 不同偏心量时的系统振动响应频谱瀑布图(a) e = 2 × 10-5 m; (b) e = 3 × 10-5 m; (c) e = 5 × 10-5 m
Fig.15 Spectrum waterfalls of system vibration response under different eccentricity (a) e = 2 × 10-5 m; (b) e = 3 × 10-5 m; (c) e = 5 × 10-5 m
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