学科前沿系列知识讲座结课报告

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1、学科前沿系列知识讲座结课报告班级学号姓名第1章 航空发动机叶片碰摩问题1.1 工程背景为了继续提高航空发动机推重比和结构效率，发动机转、静件间隙被不断缩 小，这就加剧了转静间的碰摩可能性，其中叶片-机匣间的碰摩尤其突出。转、 静碰摩故障的严重后果将使转、静子的间隙增大、轴承磨损、叶片折断直至机械 失效。国内外学者对碰摩故障的动力学机理和碰摩试验进行了深入研究，认识了 由碰摩故障导致的波形截头、倍频、分频以及混沌等特征和现象，并通过试验验 证了理论分析的正确性。然而，对于航空发动机而言，其碰摩故障的主要特点在 于：（1）机匣属于典型的薄壁结构；（2）主要体现为叶片-机匣碰摩；（3）通常只能测取机

2、匣的振动加速度，而无法得到转子上的振动位移。现有的理论分析和试验由于未充分考虑上述特征，难以直接应用于航空发动 机的碰摩故障诊断。由此可见，研究叶片-机匣碰摩下机匣振动加速度信号特征 和规律，对于有效地识别航空发动机碰摩故障具有重要实用价值。 本文通过航空发动机转子试验器的单点碰摩和偏摩试验，测取机匣振动加速度信 号，进行叶片-机碰摩下的信号分析，获得转子叶片和机匣碰摩的特性和规律。 最后，利用航空发动机实际试车过程中的碰摩故障数据进行了验证。1.2 基于航空发动机转子试验器的碰摩特征分析传统的碰摩试验没有考虑航空发动机的薄壁结构和转子-轮盘-叶片结构，因 此，其碰摩特征难以与实际航空发动机的

3、接近。本文利用航工业沈阳发动机研究 所设计研制的航空发动机转子试验器进行碰摩试验，该试验器在结构设计上首先 考虑支承分布、机匣刚度分布和力的传递特征，在外形上与发动机核心机的机匣 一致，尺寸缩小 3 倍；内部结构作了必要简化，将核心机简化为 020 支承 结构形式，并设计了可调刚度支承结构以调整系统的动力特性；将多级压气机简 化为单级盘片结构，在结构上形成转子-支承-叶盘-机匣系统。试验时用扳手拧 碰摩螺栓，使碰摩环变形，从而与旋转的涡轮叶片产生单点碰摩，也可通过1个 涡轮螺杆机构调整轴承座位置使整个转盘相对机匣移动，从而使叶片-机匣偏 摩，当碰摩严重时，会产生火花。1.3单点碰摩时机匣测点响

4、应分析利用带机匣的航空发动机转子试验器进行不同部位的碰摩故障试验。机匣为 航空发动机的薄壁结构，转子为转轴-轮盘-叶片结构，碰摩发生在涡轮机匣 端。试验时在涡轮机匣处设计4个碰摩螺钉，实现4个部位的碰摩，沿涡轮机 匣相应布置4个加速度传感器以采集机匣加速度信号，并在涡轮机匣上方设置 径向/切向测点，比较碰摩时径向加速度和切向加速度的大小，同时进行转子 偏向机匣一侧的偏摩试验。航空发动机转子试验器如图1所示；碰摩位置和涡 轮机匣径向测点周向分布如图2所示，从图中可见以面向涡轮机匣为标准碰摩 部位和传感器的安装方1.2单点碰摩时机匣测点响应分析在垂直碰上的情况 下，对2012年5月12 日第1次试

5、验垂直测点（CH1）的测试数据进行分析。 试验转速为1489 r/min=24.8 Hz，信号的时域波形如图3、4所示，其中，图4 为图3的局部放大。信号频谱如图57所示，其中，图7为图5的局部放 大1,图6为图5的局部放大2。信号的倒频谱如图8所示。由于试验器采 用的是转子-轮盘-叶片结构，当碰摩发生时，每个叶片将轮流碰撞碰摩点， 当转子旋转1周时，这种作用将循环1次，因此，由碰摩引起的冲击频率为叶 片数乘以旋转频率，即为叶片通过机匣的频率。由于转子在不平衡力激励下的涡 动。隔4 CH1仰一时域波形罔3局部放1.4涉及力学知识运用到了非线性振动，振动力学，弹性力学，有限元分析ansys等。基

6、于航空发动机转子系统的特点，将航空发动机转子简化为一个弹性支承 的刚性偏置转子。应用拉格朗日方程建立了弹性支承-刚性转子系统碰摩的动力 学方程。通过数值计算结果和已有实验结果的比较，认为在反向全周碰摩的研究 中，考虑转子的非线性刚度的影响是有必要的。研究发现了一种由非线性刚度导 致的新的反向全周碰摩响应，这种反向全周碰摩运动是稳定的周期运动。讨论了 系统参数对非线性转子系统反向全周碰摩响应的影响；给出了可能发生反向全周 碰摩的参数域，为转子系统的设计提供了一定的理论支持。研究了系统参数和扰 动对反向全周碰摩临界条件的影响，给出了参数-转速平面上不同动力学行为的 转迁。同时考虑突加不平衡和碰摩，

7、研究了非线性转子系统的瞬态响应和稳态响 应。研究发现系统在突加不平衡情况下可能出现多种在正常升降速情况下不可能 出现的运动形式，并给出了参数平面上各种运动形式的分布域。考虑到其中某些 运动形式，如反向全周碰摩，可能导致转子系统的破坏，研究了系统在突加不平 衡后降速过程中的动力学行为，给出了系统在突加不平衡后降速过程中不发生失 稳的参数范围。第2章 风电增速齿轮箱传动系统动力学特性 分析2.1 工程背景和研究意义随着能源和环境问题日趋严峻,风能作为一种清洁可再生能源在全球范围内 得到广泛应用。齿轮箱是风力发电机中的重要部件之一,其性能表现对风力发电 机有很大影响。本论文以某型 1.5MW 风力发

8、电机齿轮箱为对象,研究了风力发电 增速箱齿轮传动系统在外部风载和内部激励共同作用下的系统动力学特性。进入 20 世纪,由于对能源的渴求,人们无节制地开釆石油、煤炭、天然气等这些埋在 地层深处的维系人类生存的“能源食粮” ,不仅严重地污染了我们的生存空间 , 恶化了自然环境,且带来了更可怕的恶果能源枯竭。进入 70年代以后,在世 界范围内爆发的能源危机告诫人们,要生存就必须寻求开发新能源。面对传统能 源的日益枯竭和环境污染的日趋严重,风能作为一种取之不尽、用之不竭的可再 生绿色能源越来越来受到世界各国政府的重视。地球上风能资源非常巨大,大大 超过水流的能量,也大于固体燃料和液体燃料能量的总和,理

9、论上仅 1%的风能就 能满足人类能源需要。据估计,10 米高的平均风速高于 5.1m/s 的面积约为全世 界面积的 1/4,如果按每平方公里的风力发电装机容量为 0.33MW 计算,则这些面 积每年的发电量可达2000TW.h,相当于目前全球总耗电量的2倍。我国拥有可供 大规模开发利用的风能资源,有专家称,我国内蒙古地区的风电可开采量就有 3 个三峡的水电容量。据初步探明结果,陆地上可开发的风能资源即达2.53亿干瓦; 加上近海的风能资源，全国可JP发风能资源估计在10亿千瓦以上。风力发电作 为我国电力结构中新型分布式供电系统,以其灵活、实用的方式,为经济发展注入 活力,取得了可观的经济效益和

10、巨大的社会效益。因此,大力发展风电事业可以有 效缓解我国电力供应紧张局面,进一步优化以煤电为主的电力供应结构,同时,又 利于减少能源进口方面的压力,对提高我国能源供应的多样性和安全性将做出积 极的贝献。在我国安装的大型风电机组中,99%是从国外进口,这种状况严重地制 约了我国风电工业的健康发展,成为影响我国风电工业持续发展的潜在障碍。为 了促进可再生能源的开发利用,国家已经制定可再生能源法,其中风能幵发利 用位居首位。从长远看,风力发电将是一个朝阳的新兴产业,将享受多项国家优惠 政策。因此,研究大功率风力发电装备,实现我国大型风电机组的国产化是国民经 济发展的需要,有广阔的应用前景。目前风力发

11、电机组横轴式风力发电机技术已 成熟,直轴风力祸轮机是美国最近几年内发展起来的,技术也日趋成熟。在风电机 组的三大关键部件中,齿轮箱是风电机组最容易出现故障的关键部件。从查阅的 国内外文献来看,在风力发电机组变速箱的研究方面 ,相对于风力发电机组的其 他部分,这方面研究比较少。因此,在国家的大力资助下,开展了大功率风电机组 传动系统的研究。2.2 研究模型和方法首先采用集中参数方法建立齿轮传动系统的物理模型,模型中计入了系统各 构件三个平移自由度和三个扭转自由度,考虑了各广义坐标上系统响应的耦合关 系,并对各齿轮副沿啮合作用线的弹性变形进行了详细的分析 ,利用相对质心动 量矩定理建立系统数学模型

12、。另外对轴承支撑刚度进行了计算与简化,得出风力 发电增速箱齿轮传动系统的固有频率。然后计算了风力发电增速箱齿轮传动系统中内、外啮合的非线性时变啮合刚 度和齿轮啮合的误差激励。详细分析了由风载引起的系统外部激励。得到了系统 响应的相图、Poincar6截面、时域波形、幅值谱图和轴心轨迹。对风力发电齿 轮传动系统的动力学特性进行了较为全面的研究。最后用 ANSYS 软件建立了考虑轮齿啮合刚度的斜齿轮传动系统弯扭轴摆耦 合的有限元振动模型。其中传动轴段采用三维六自由度梁单元,齿轮采用集中质 量单元,轴承的支撑刚度采用弹簧单元来模拟。获得了齿轮传动系统的固有频率 和振型,计算结果与传动系统动力学模型的

13、计算结果吻合较好。2.3 齿轮传动系统动力学国内外研究现状近年来普遍用于风电机组齿轮箱动力学分析的计算方法是模态法和有限元 法。模态法的主要方法是将稱合的运动方程组解稱成为相互独立的方程,通过求 解每个独立的方程得到各模态的特性参数,进而就可以用所求得的模态参数来预 测和分析该系统的运动特性。有限元法的基本思想是,将连续的求解区域离散为 一组有限个数、且按一定方式相互联结在一起的单元的组合体,利用在每一个单 元内假设的近似函数来分片地表示求解域上待求的未知场函数,即用一个简单问 题代替复杂问题后求解。早期对小型风电机组的动力学研究有文献就水平轴定 桨矩 56kW 风电机组传动系统进行了动力学特

14、性分析,分析了齿轮箱传动系统的 固有特性a Wind Energy Handbook 书中分析了风电机组增速箱运行中载荷变 化及其对传动系统的影响和传动链动力学特性。A. Heege等在文献3中对风电 机组齿轮箱传动系统建立了非线性的三维瞬态动力学模型,进行了行星轮瞬态响 应分析，确定了行星轮系动态回差现象。Ray J. Hicks Mbe等在文献中以典型的 1.5MW 风电机组为研究对象,研究了齿轮箱的行星轮系行星架在采用柔性销和高 速轴上釆用差动轮系后分别实现行星轮系各行星轮载荷分布均勾、减小了来自发 电机一侧对传动系统的影响的方法。Erich Hau所著Wind Tuthines中在振动

15、一 章对风电机组传动系统的数学模型、内外部激励和共振问题作了详细的论述，对 风电机组振动特性研究起到了指导的作用。 Joris 在文献6中首先重点分析了 分别运用纯扭转模型、刚性轴模型和柔性轴模型三种方法时齿轮箱的固有特性和 1500Hz范围内的风电机组齿轮箱振动特性，并且论述了风电机组在O?lOHz范围 内风轮和电机对风电机组传动系统的重要影响。D. Palmer等在文献7中对风 电机组齿轮箱行星轮载荷分配不均、行星轮相位对行星轮系传递误差的影响进行 了详细的论述。J. Peeters等在文献中应用多柔体基础仿真技术,对风电机组齿 轮箱的动态特性进行分析，从激励的响应结果反推齿轮在工作时的喃

16、合冲击力， 并利用坎贝尔图对其进行分析论证，对其中可能的共振行为进行识别，分析来自 电网一侧的冲击的瞬态负载情况下，模拟一个瞬间变化的扭矩对齿轮哨合冲击的 影响。对齿轮系统振动作了大量研究，分析了多对齿哨合的斜齿轮系和行星轮系 的动态特性以及轴向振动对斜齿轮动力特性的影响，还用动态试验方法分析了齿 轮受迫响应特征和渐开线重合度及齿顶修圆对动态性能的影响。H.Vinayak等用 Rayleihg-Ritz 法和有限元法计算了受刚性和弹性约束时的直齿轮系统自由和 受迫振动特性，得出的系统模态参数与试验结果相吻合。J.S.Burdess等11也 用有限元法及试验方法对斜齿轮轴作了模态分析。Shaof

17、eng Wang等12建立了 三维斜齿轮副振动模型，模型中考虑了齿轮的横向弯曲振动、扭转振动、轴向振 动、扭摆振动的顆合作用，并采用试验模态方法识别出轴承刚度、阻尼及哨合齿 对的刚度和阻尼，然后又用计算机对理论模型进行仿真计算，为预测齿轮系统的 振动提供了理论依据。HamoHoujoh对弹性轴上斜齿轮对进行了振动分析,利用试 验结果识别系统的动力学模型参数,并利用传递矩阵法对轮饭喷合刚度的变化、 喷合面阻尼及轴承阻尼对斜齿轮动态特性的影响进行了研究,得到必须采用试验 方法识别系统的刚度及阻尼的结论。P.Velex,C.Bard等用数值方法和试验方法 分析了圆柱齿轮基节误差及齿向误差对动态性能的

18、影响。从国外对风电机组齿轮 箱的研究成果来看,从上世纪 80 年代初在学术上已经开始持续关注齿轮箱的动 特性,无论是研究的形式还是研究理论都越来越细化和深入,并且形成一定体系, 实验上不断积累数据和经验,虚拟仿真技术快速发展,三者相互结合从而使齿轮 箱设计、制造技术有了很大的提高,大大提高了风电机组齿轮箱的可靠性、稳定 性,减少了齿轮箱的损坏更换率。在国内风力发电机齿轮传动系统中参数的选择 已有详细的论述16-17。国内也对齿轮系统动力学特性进行了大量的研究。沈 允文等18-19在原有研究成果基础上对齿轮系统的动态特性、减振设计等进行 了全面的分析研究,得出一些有价值的研究成果。汤对理想齿轮噪

19、声与振动谱等 进行了计算机仿真研究。孙涛建立了单级行星齿轮传动系统的非线性模型,研究 了星型齿轮传动系统含有哨合误差、齿侧间隙、时变喃合刚度等因素的非线性动 力学问题。孙智民建立了单级星型齿轮传动系统的非线性模型,研究了星型齿轮 传动系统含有哨合误差、偏心误差、时变喷合刚度等因素的非线性动力学问题。2.4 系统的动力学模型传动系统通过风叶转动将风能转换为机械能 ,然后经过主轴传递给行星架 , 增速箱增速后,由高速端输出驱动发电机将机械能转变成电能。本文主要采用集 中参数方法建立系统的物理模型,各个节点各个自由度方向上的等效质量、等效 刚度分别由齿轮和轴的质量、刚度参数确定,轴承各个方向的刚度和

20、阻尼采用弹 簧和阻尼器进行模拟 ,齿轮啮合参数也采用弹簧和阻尼器进行模拟。综合上述 , 可得到该系统的动力学模型。建立模型的关键在于行星传动系统和斜齿轮传动系 统,为此,以下内容分别对行星齿轮传动系统和斜齿轮传动系统的物理模型建模 进行说明。在建模时采用如下假设:1）假设各构件均为刚体,忽略齿轮和系杆的整体弹性变形;2) 假设各齿轮都是渐开线斜齿轮,哨合齿轮相互间的哨合力始终处在哨合面内, 垂直于齿面接触线。哺合齿轮简化为以弹賛和阻尼相联的刚体,哨合轮齿的啮 合刚度作为弹簧的刚度;3) 假设相互哨合的齿轮间不发生脱齿;4) 忽略哨合反向冲击现象,因此,不考虑哨合副的扭转刚度;5) 不考虑哨合齿

21、轮轮齿间的相互滑动以及滑动摩擦力;6) 假定输入轴与叶片、输出轴与负载之间均使用柔性联接,叶片和负载的惯性不 予考虑,输入和输出扭矩的波动与传动系统的实际情况采用外部激励方式进行加 载;7) 各行星轮的质量、转动惯量、半径、哨合刚度均为相同数值;8) 假设系统的阻尼为一般粘性阻尼。2.5 激励分析齿轮传动系统的机械特性为弹性,能够在动态激励作用下发生动态响应。动态激 励作为系统的输入,研究动态激励的基本原理,确定动态激励的类型和性质,是研 究歯轮传动系统的动力学特性的首要问题。系统的动态激励一般分为内部激励和 外部激励两种类型。外部激励是系统外部构件对系统的作用激励,主要指原动机 的驱动力矩和

22、负载的阻力矩。外部激励力的建立方法与一般机械的相同。内部激 励是指齿轮副轮齿啮合过程中所产生的动态激励,包括刚度激励和误差激励两部 分,对系统的刚度和误差的正确分析是确保动力学分析精度的基础。 齿轮喷合动力学方程齿轮传动系统动力学方程式(2.41)可以写为:Mx + Cx + K (t)(x -e(t) = F(t) (2.1)式中:M一齿轮对在哨合线上的等效质量矩阵；X 一动态相对位移向量;C 一阻尼矩阵;K (t)一齿轮的时变哨合刚度矩阵；E(t) 一齿轮综合误差向量;F (t)外载荷向量。第 3 章 失谐叶盘系统叶片排布减振优化3.1 工程背景航空发动机叶盘结构通常具有循环对称性,但由于

23、加工误差、材料性质、运 行磨损等原因,各个叶片的特性不可避免地存在微小差异 ,即失谐失谐破坏了结 构的循环对称性,导致其振动能量集中在一个或几个叶片上 ,使这些叶片的振幅 达到其他叶片振幅的几倍,造成局部叶片的高周疲劳失效2-7,对整个结构的正 常运行构成严重威胁,因此如何采取有效措施减小由于失谐引起的振动局部化现 象,就显得格外具有实际意义文献的研究结果表明 ,小频率差的随机失谐分布振 动响应小文献通过设计有效的主动失谐方式 ,来减小受迫振动响应 #虽然这种方 法降低了共振幅值,但是共振区变宽了,这就意味着系统更容易产生共振,而且即 使能够在设计时引入失谐,但这也正如失谐的产生机理一样 ,加

24、工得到的失谐叶 片不可能与计算的失谐量相一致如果将这些失谐叶片再进行装配,试车振动指标 可能还是不够理想,如果重新加工装配,那无异于是一种巨大的浪费#除此之外, 这种方法还存在加工成本高的问题,因为生产一批不同规格尺寸而且彼此相差甚 微的叶片的成本要远远高于加工一批规格完全一致的叶片#然而叶盘系统的振动 特性与系统的固有频率、模态振型有着内在的联系,失谐叶盘系统的振动响应幅 值较谐调系统大大增加很大程度上是因为失谐叶盘系统的固有特性(固有模态和 固有频率)发生较大的改变#综上所述,本文考虑在现有叶片失谐的基础上,利用 蚁群算法优化失谐叶片的安装顺序,从而改善叶盘系统的模态振型3.2 研究模型本

25、文分析所采用的典型叶盘结构集中参数模型如图 1 所示,各子结构的两个 自由度x和y分别描述叶片振动和轮盘振动，mb和md分别表示叶片和轮盘的等效质量，kb和分别表示叶片和轮盘的等效刚度，kt则表示各子结构间的耦合 刚度#不考虑非线性影响因素，该叶盘系统无阻尼自由振动方程为(1)Mq+Kq=O其中:M,K和q分别为叶盘系统的质量矩阵、刚度矩阵和位移矩阵，假设叶盘系统以频率X做谐振动，则式(1)可化为(K-o 2M)q = 0该方程可化为典型的特征值问题(A -九 I )q = 0其中：1为单位矩阵；A = M-lK ；入=o2子结构1叶盘系统集中参数模型Fig. 1 Lumped paramet

26、er model of blade- disc system3.3蚁群优化失谐叶片排列顺序方法假设n个叶片，每个叶片对应固定的序号1,2,.n, m为所有蚂蚁的数目,某时刻 叶片i与j之间连接上的信息素用Sij(t)表示#Sij(t)的初始值Sij(O)为人为设置的正常数C,每只蚂蚁可以选择下一个叶片，每只蚂蚁移动到下一个叶片的时 刻则变为t+1经过这样的n次移动后，每只蚂蚁都将完成一次路径的搜索,这时的 时间将是t+n所有蚂蚁经过的路径当中最短的一条,即能够使模态局部化参数最 小叶片排列顺序将被保存下来#同时叶片之间连接上的信息素浓度也将更新为(开始)初始化循环次数%, 初始信息素G将珂只蚂

27、 蚁放到兀个叶片上将所有蚂蚁所置的 初始叶片存入labu(fe)得到最佳的叶片排列顺序对所有的妈蚁计算概率巴选择下一个叶片，将蚂蚁移到下一个叶片j、将叶片j加入到tabu(fe)(结束)tnhud 满更新最佳的叶片排列顺 序，淸空 tabu(i), 7VC +1图2蚁群优化叶片排列顺序流程图Fig. 2 Flowchart of sequential arrangements of bladesas optimized by ant colony algorithm叶片位置叶片位置图3第1阶叶片振型(不同的叶片安装顺序)Fig. 3 Inorder mode of vibration of b

28、lades in different sequences(a)失谐1; (h)失谐2.3.4优化结果本文通过建立两自由度子结构集中参数模型，以模态局部化参数作为叶盘结 构振动情况的评价指标，考察了叶片排列顺序对失谐叶盘振动局部化程度的影响, 提出利用蚁群算法优化失谐叶片安装顺序从而改善叶盘振动的减振措施。研究表明:通过合理调整叶片安装位置能够改善失谐叶盘模态局部化的程度,相比枚举法，利用蚁群算法全局收敛以及启发式学习的特性能够明显提高运算效 率，为降低发动机轮盘系统的失谐振动提供了一种有效措施。学习收获和体会通过该课程的学习，开阔了我的眼界，了解的学科前沿知识，例如：航空发 动机叶片碰摩，管路

29、振动与焊接问题；失谐叶盘系统动力学特性及其热流流 结构场耦合下特性；气压机转子系统多场耦合动力学特性的分析方法；失谐叶盘 系统叶片排布减振优化方法分析；盘片轴一体化结构多部位损伤疲劳评估方法研 究；滚动轴承转子系统非线性动力学特性分析；汽车变速器及风力发电机齿轮传 动系统动力学特性分析；某型燃气轮机转子动力学分析中的传递矩阵法；重型旋 转机械柔性膜盘联轴器动力学特性分析。这些知识都使我受益匪浅。以前总是对力学这个专业感到迷惑，不知道以后能干什么，但我现在知道力 学还是能干很多事情的，在当今社会上还是有用武之地。以前所学的专业知识，例如：理论力学、材料力学、弹性力学、振动力学、 非线性振动等，学完之后总是问自己这个能干啥，现在看来学长们做的研究就是 以这些为基础的，只是运用的更贯通了、理解的更透彻更深刻了。