轉(zhuǎn)子動力學(xué)研究進(jìn)展

韓清凱 馬輝

(1.大連理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院, 大連 116024) (2.東北大學(xué) 機(jī)械工程與自動化學(xué)院, 沈陽 110819)

引言

轉(zhuǎn)子動力學(xué)是研究旋轉(zhuǎn)機(jī)械轉(zhuǎn)子及其部件和結(jié)構(gòu)動力學(xué)特性的學(xué)科.轉(zhuǎn)子動力學(xué)起源于十九世紀(jì)六十年代,目前已經(jīng)成為機(jī)械動力學(xué)的重要分支.當(dāng)代轉(zhuǎn)子動力學(xué)的研究對象主要是以汽輪發(fā)電機(jī)組、燃?xì)廨啓C(jī)、離心/軸流壓縮機(jī)和航空發(fā)動機(jī)等重大裝備為代表的復(fù)雜轉(zhuǎn)子系統(tǒng).轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的運動以渦動運動為典型形式.通常情況下,轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的振動問題一般比較突出,并且也十分復(fù)雜,不僅有轉(zhuǎn)軸的彎曲振動和扭轉(zhuǎn)振動,還包括葉輪的振動、葉輪上葉片的振動、機(jī)匣和基礎(chǔ)振動,以及流體介質(zhì)或軸承油膜等因素引起的渦動失穩(wěn)等．目前轉(zhuǎn)子動力學(xué)與振動研究主要涉及：1)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)動力學(xué)建模；2)臨界轉(zhuǎn)速和振動響應(yīng)計算；3)柔性轉(zhuǎn)子動平衡技術(shù)；4)支承轉(zhuǎn)子的各類軸承動力學(xué)特性；5)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)動力穩(wěn)定性；6)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)非線性動力學(xué)；7)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)振動故障及其診斷技術(shù)；8)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)振動控制；9)多場耦合激勵下轉(zhuǎn)子系統(tǒng)振動,如機(jī)電耦聯(lián)振動等.

1 轉(zhuǎn)子動力學(xué)的發(fā)展歷程

轉(zhuǎn)子動力學(xué)的研究已有百年歷史．關(guān)于轉(zhuǎn)子振動分析的最早記錄是1869年英國物理學(xué)家Rankine發(fā)表的題為“論旋轉(zhuǎn)軸的離心力”的論文,該論文得出了轉(zhuǎn)子只能在一階臨界轉(zhuǎn)速以下穩(wěn)定運轉(zhuǎn)的錯誤結(jié)論．Foppl(1895年)和Jeffcott(1919年)指出了轉(zhuǎn)子在超臨界運轉(zhuǎn)時會產(chǎn)生自動定心現(xiàn)象,因而轉(zhuǎn)子可以穩(wěn)定工作．隨著轉(zhuǎn)子超臨界運轉(zhuǎn),Newkirk發(fā)現(xiàn)了油膜軸承導(dǎo)致自激振動失穩(wěn)現(xiàn)象,從而確定了油膜軸承穩(wěn)定性在轉(zhuǎn)子動力學(xué)分析中的重要地位．在油膜軸承穩(wěn)定性的研究方面,Newkirk、Lund、Child和Muszynska等做出了突出貢獻(xiàn).在國內(nèi)轉(zhuǎn)子動力學(xué)研究領(lǐng)域.眾多學(xué)者和工程技術(shù)人員開展了大量的研究工作,包括復(fù)雜轉(zhuǎn)子系統(tǒng)動力學(xué)建模、轉(zhuǎn)子系統(tǒng)非線性理論與失穩(wěn)分析、轉(zhuǎn)子系統(tǒng)碰摩等多種故障以及耦合故障的機(jī)理研究、轉(zhuǎn)子系統(tǒng)振動故障診斷技術(shù)、軸承或齒輪系統(tǒng)動力學(xué)與振動故障診斷、轉(zhuǎn)子系統(tǒng)動力學(xué)設(shè)計技術(shù)、以及轉(zhuǎn)子系統(tǒng)振動控制理論與技術(shù)等,經(jīng)過多年的辛勤努力,取得了大量的高水平成果.這些研究成果不僅極大地提升了我國在轉(zhuǎn)子動力學(xué)領(lǐng)域的國際學(xué)術(shù)地位,而且對推動我國諸多工程領(lǐng)域的產(chǎn)品與技術(shù)的發(fā)展,發(fā)揮了至關(guān)重要的作用.

2 轉(zhuǎn)子動力學(xué)未來發(fā)展

當(dāng)前轉(zhuǎn)子動力學(xué)的研究進(jìn)入了新階段.一方面,針對具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)子系統(tǒng),特別是轉(zhuǎn)子系統(tǒng)與靜子系統(tǒng)剛度接近、存在振動耦合的情況,轉(zhuǎn)子和靜子結(jié)構(gòu)連接面多且形式復(fù)雜,考慮服役退化,以及整機(jī)動力學(xué)的研究,振動響應(yīng)的高精度預(yù)估研究等,得到了人們的高度重視.另一方面,面向轉(zhuǎn)子系統(tǒng)振動與故障機(jī)理與診斷研究,強(qiáng)調(diào)了大數(shù)據(jù)與智能預(yù)測方法研究,揭示故障表征的新模式,促進(jìn)故障機(jī)理研究,開展基于大數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)子系統(tǒng)智能診斷,也已成為目前研究的熱點問題之一.轉(zhuǎn)子系統(tǒng)振動控制技術(shù)也拓展應(yīng)用到采用新材料、新結(jié)構(gòu)和提高預(yù)測控制能力等方面,提高轉(zhuǎn)子系統(tǒng)振動控制能力及其可靠性和準(zhǔn)確度.

目前轉(zhuǎn)子動力學(xué)在以下六個方面,已經(jīng)取得了一些代表性成果：1)大型復(fù)雜轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的力學(xué)建模和分析手段,主要涉及連接件建模、大型復(fù)雜柔性轉(zhuǎn)子系統(tǒng)、柔性轉(zhuǎn)子系統(tǒng)-柔性基礎(chǔ)系統(tǒng)、非同步旋轉(zhuǎn)機(jī)械、特殊轉(zhuǎn)子系統(tǒng).2)考慮非線性的大型轉(zhuǎn)子系統(tǒng)降維理論,主要涉及高維非線性動力學(xué)系統(tǒng)的降維方法和提高現(xiàn)有非線性動力學(xué)理論能夠求解的維數(shù).3)失穩(wěn)機(jī)理分析和非線性分析,主要涉及油膜力、密封力、葉尖氣隙力(Alford力)、轉(zhuǎn)軸的剛度不對稱、轉(zhuǎn)軸材料的粘彈性和轉(zhuǎn)軸的結(jié)構(gòu)阻尼、轉(zhuǎn)子和靜子在間隙內(nèi)的相互碰摩引起干摩擦力、充液轉(zhuǎn)子等誘發(fā)的失穩(wěn)和非線性振動.4)基于大數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)子-軸承系統(tǒng)智能故障診斷,主要涉及淺層稀疏網(wǎng)絡(luò)特征提取方法,建立具有深層結(jié)構(gòu)的深度學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò),研究旋轉(zhuǎn)機(jī)械裝備健康狀態(tài)的多標(biāo)記體系,全面高效地描述大數(shù)據(jù)下旋轉(zhuǎn)機(jī)械系統(tǒng)的故障信息,形成融合多物理信息源的深度學(xué)習(xí)模型.5)轉(zhuǎn)子-軸承系統(tǒng)的非線性動力學(xué)設(shè)計,主要涉及多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計,不但要設(shè)計合理的穩(wěn)定裕度,還要設(shè)計失穩(wěn)轉(zhuǎn)速使其對參數(shù)變化最不敏感,使穩(wěn)定裕度對一定范圍內(nèi)的制造工藝偏差及運行條件變化最不敏感.6)轉(zhuǎn)子-軸承系統(tǒng)的振動控制,如采用彈性支承加擠壓油膜阻尼器的低剛度、高阻尼特性的“滾動軸承與減振元件一體化”結(jié)構(gòu).

3 ?？瘍?nèi)容

本?？珍浀恼撐膩碜杂?018年5月在蘇州召開的第13屆全國轉(zhuǎn)子動力學(xué)會議.它包括復(fù)雜轉(zhuǎn)子-支承系統(tǒng)動力學(xué)特性與振動響應(yīng)分析、齒輪轉(zhuǎn)子系統(tǒng)和考慮螺栓連接結(jié)合面的轉(zhuǎn)子系統(tǒng)動力學(xué)特性研究、滾動軸承動力學(xué)特性研究、以及轉(zhuǎn)子系統(tǒng)動力學(xué)吸振器減振研究等.期望?？某霭婺軐ξ覈D(zhuǎn)子系統(tǒng)動力學(xué)與振動的研究以及相關(guān)學(xué)科的發(fā)展起到積極的促進(jìn)作用.