多故障转子⁃滚动轴承系统的动力学特性

钟志贤; 马李奕; 蔡忠侯; 陈金华; 祝长生

doi:10.13224/j.cnki.jasp.20220016

Chinese

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多故障转子⁃滚动轴承系统的动力学特性

结构、强度、振动 | 更新时间：2025-04-07

- 多故障转子⁃滚动轴承系统的动力学特性
- Dynamic characteristics of rotor⁃ball bearing system with multi coupling faults
- 航空动力学报 2022年37卷第5期页码：909-923
- 作者机构：
  
  1.桂林理工大学机械与控制工程学院，广西桂林 541004
  2.浙江大学电气工程学院，杭州 310027
- 作者简介：
  
  钟志贤（1972-），男，教授、硕士生导师，博士，主要从事磁悬浮轴承设计与控制、机械故障诊断研究。E⁃mail：2005zhzhx@163.com
- 基金信息：
  
  国家自然科学基金(51565009;11632015);广西自然科学基金(2015GXNSFAA139272);桂林理工大学科研启动基金(GLUT18100392)
- DOI：10.13224/j.cnki.jasp.20220016
  中图分类号：
- 稿件说明：
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钟志贤, 马李奕, 蔡忠侯, 等. 多故障转子⁃滚动轴承系统的动力学特性[J]. 航空动力学报, 2022,37(5):909-923.

Zhixian ZHONG, Liyi MA, Zhonghou CAI, et al. Dynamic characteristics of rotor⁃ball bearing system with multi coupling faults[J]. Journal of Aerospace Power, 2022, 37(5): 909-923.
钟志贤, 马李奕, 蔡忠侯, 等. 多故障转子⁃滚动轴承系统的动力学特性[J]. 航空动力学报, 2022,37(5):909-923. DOI： 10.13224/j.cnki.jasp.20220016.

Zhixian ZHONG, Liyi MA, Zhonghou CAI, et al. Dynamic characteristics of rotor⁃ball bearing system with multi coupling faults[J]. Journal of Aerospace Power, 2022, 37(5): 909-923. DOI： 10.13224/j.cnki.jasp.20220016.

摘要

为深入研究多故障转子⁃滚动轴承系统的机理，充分考虑了旋转部件的扭矩、剪切力、转动惯量及陀螺力矩等效应，采用Timoshenko梁单元和转盘单元建立了转子的有限元模型，集成了滚动轴承动力学模型，及不平衡、不对中、碰摩、裂纹及松动等故障模型，得到了多故障转子⁃滚动轴承系统的动力学方程。采用变步长龙格库塔法，获得了转子⁃滚动轴承系统的位移响应，研究了系统位移响应随转速变化的分岔图、庞加莱截面，以及故障特征处的时域波形图、轴心轨迹图、相平面图和频谱图，探究了多故障转子⁃滚动轴承系统的故障特征及其动力学特性和规律。仿真分析结果表明：多故障转子⁃滚动轴承系统在运行过程中存在周期运动，拟周期运动和复杂的类混沌运动等丰富的非线性行为，且在各非线性行为转速区间内，会呈现不平衡、不对中、碰摩、裂纹和松动等单一故障或耦合故障的特征和现象。

Abstract

To further study the mechanism of the rotor⁃ball bearing system with multi coupling faults，the effects of torsional stress，shear stress，gyroscopic and moment of inertia on rotating components were fully considered，Timoshenko beam elements and disk elements were used to model the finite element of a rotor system.By assembling the dynamic model of ball bearing and fault models of unbalance，misalignment，rubbing，crack and pedestal looseness，the dynamic equations of the rotor⁃ball bearing system with multi coupling faults were obtained.The displacement response of the rotor⁃ball bearing system was obtained using Runge Kutta method with variable step length，and response was analyzed using bifurcation diagrams and poincaré maps with mass speed and time⁃domain waveform，axis orbits，phase diagrams and frequency spectrum at the fault areas.Fault features and dynamic characteristics of the system were studied and explored.As a result，abundant nonlinear phenomena such as periodic motion，quasi⁃periodic motion and complex quasi⁃chaotic motion were found.Additionally，characteristics of faults such as unbalance，misalignment，rubbing，crack and pedestal looseness were indicated during each nonlinear behavior.

关键词

Keywords

references

马平平 . 航空发动机双转子系统振动特性研究 [D]. 辽宁大连 : 大连理工大学 , 2021 .

MA Pingping . Vibration analysis of the dual⁃rotor system for aeroengine [D]. Dalian Liaoning : Dalian University of Technology , 2021 . （in Chinese）

胡军 , 杨德斌 . 一种基于变形运动矢量分析法的转子耦合故障机理建模 [J]. 机械工程学报 , 2021 , 57 （ 15 ）: 91 ⁃ 104 .

HU Jun , YANG Debin . A rotor coupling fault mechanism modeling based on the deformation motion vector analysis method [J]. Journal of Mechanical Engineering , 2021 , 57 （ 15 ）: 91 ⁃ 104 . （in Chinese）

马辉 , 李焕军 , 刘杨 , 等 . 转子系统耦合故障研究进展与展望 [J]. 振动与冲击 , 2012 , 31 （ 17 ）: 1 ⁃ 11 .

MA Hui , LI Huanjun , LIU Yang , et al . Review and prospect for research of coupling faults in rotor systems [J]. Journal of Vibration and Shock , 2012 , 31 （ 17 ）: 1 ⁃ 11 . （in Chinese）

YANG Yang , CAO Dengqing , WANG Deyou . Response analysis of a dual⁃disc rotor system with multi⁃unbalances⁃multi⁃fixed⁃point rubbing faults [J]. Nonlinear Dynamics , 2017 , 87 : 109 ⁃ 125 .

WANG Nanfei , JIANG Dongxiang . Vibration response characteristics of a dual⁃rotor with unbalance⁃misalignment coupling faults:theoretical analysis and experimental study [J]. Mechanism and Machine Theory , 2018 , 125 : 207 ⁃ 219 .

黄国远 . 转子系统不平衡⁃不对中⁃碰摩多故障数值仿真与实验研究 [D]. 南京 : 南京航空航天大学 , 2018 .

HUANG Guoyuan . Numerical simulation and experimental research on rotor system with unbalance misalignment rubbing multi faults [D]. Nanjing : Nanjing University of Aeronautics and Astronautics , 2018 . （in Chinese）

XIANG Ling , DENG Zeqi , HU Aijun , et al . Multi⁃fault coupling study of a rotor system in experimental and numerical analyses [J]. Nonlinear Dynamics , 2019 , 97 : 2607 ⁃ 2625 .

申倩 . 裂纹转子⁃滚动轴承系统的动力学特性和故障诊断研究 [D]. 天津 : 天津大学 , 2019 .

SHEN Qian . Dynamic characteristics and fault diagnosis of cracked rotor⁃rolling bearing system [D]. Tianjin : Tianjin University , 2019 . （in Chinese）

何振鹏 , 仲崇高 , 王宇博 , 等 . 发动机转子系统碰摩⁃裂纹⁃松动耦合故障作用下动力学特性分析 [J]. 机械科学与技术 , 2020 , 39 （ 7 ）: 1139 ⁃ 1148 .

HE Zhenpeng , ZHONG Chonggao , WANG Yubo , et al . Dynamic characteristics analysis of rotor⁃crack⁃loose coupling fault of engine rotor system [J]. Mechanical Science and Technology for Aerospace Engineering , 2020 , 39 （ 7 ）: 1139 ⁃ 1148 . （in Chinese）

刘杨 , 李炎臻 , 太兴宇 , 等 . 转子⁃滑动轴承系统松动⁃碰摩耦合故障分析 [J]. 振动工程学报 , 2016 , 29 （ 3 ）: 549 ⁃ 554 .

LIU Yang , LI Yanzhen , TAI Xingyu , et al . Characteristic analysis of looseness⁃rubbing coupling fault in rotor⁃sliding⁃bearing system [J]. Journal of Vibration Engineering , 2016 , 29 （ 3 ）: 549 ⁃ 554 . （in Chinese）

曹宏瑞 , 李兵 , 何正嘉 . 高速主轴动力学建模及高速效应分析 [J]. 振动工程学报 , 2012 , 25 （ 2 ）: 103 ⁃ 109 .

CAO Hongrui , LI Bing , HE Zhengjia . Dynamic modeling of high⁃speed spindles and analysis of high⁃speed effects [J]. Journal of Vibration Engineering , 2012 , 25 （ 2 ）: 103 ⁃ 109 . （in Chinese）

韩兵兵 , 丁千 . 带非线性支撑的转子有限元模型求解方法 [J]. 航空动力学报 , 2020 , 35 （ 12 ）: 2616 ⁃ 2625 .

HAN Bingbing , DING Qian . Solution method of rotor finite element model with nonlinear support [J]. Journal of Aerospace Power , 2020 , 35 （ 12 ）: 2616 ⁃ 2625 . （in Chinese）

金风雨 . 基于Timoshenko梁的核主泵有限元建模及动力学分析 [D]. 辽宁大连 : 大连理工大学 , 2021 .

JIN Fengyu . Modeling and dynamic analysis of RCP based on Timoshenko beam finite element model [D]. Dalian Liaoning : Dalian University of Technology , 2021 . （in Chinese）

曹家瑜 . 某型柔性转子动力系统建模及仿真 [D]. 福建厦门 : 集美大学 , 2020 .

CAO Jiayu . Modeling and simulation of a flexible rotor power system [D]. Xiamen Fujian : Jimei University , 2020 . （in Chinese）

伍小莉 . 不平衡⁃不对中⁃支座松动耦合故障下转子系统的动力学特性分析 [D]. 成都 : 西南交通大学 , 2019 .

WU Xiaoli . Dynamic characteristics analysis on rotor system with unbalance⁃misalignment⁃pedestal looseness coupling faults [D]. Chengdu : Southwest Jiaotong University , 2019 . （in Chinese）

韩嘉桢 . 陀螺效应对存在裂纹扩展的裂纹转子的非线性动力学特性的影响 [D]. 北京 : 华北电力大学 , 2021 .

HAN Jiazhen . Effect of gyroscopic effect on the nonlinear dynamics of gravity dominant rotor with a growing crack [D]. Beijing : North China Electric Power University , 2021 . （in Chinese）

闻邦椿 , 武新华 , 丁千 , 等 . 故障旋转机械非线性动力学的理论与实验 [M]. 北京 : 科学出版社 , 2004 .

侯兰兰 . 非线性故障转子系统动力学仿真和实验研究 [D]. 北京 : 华北电力大学 , 2015 .

HOU Lanlan . The research on the dynamics simulation and experiment of rotor system with nonlinear fault [D]. Beijing : North China Electric Power University , 2015 . （in Chinese）

姚德臣 . 旋转机械非线性动力学研究 [M]. 北京 : 北京理工大学出版社 , 2017 .

杨洋 , 伍小莉 , 许余乾 , 等 . 不对中⁃不平衡故障影响下的几何非线性转子振动行为研究 [J]. 振动与冲击 , 2021 , 40 （ 7 ）: 45 ⁃ 52 .

YANG Yang , WU Xiaoli , XU Yuqian , et al . Vibration behavior of a geometrically nonlinear rotor under misalignment⁃unbalance coupled fault [J]. Journal of Vibration and Shock , 2021 , 40 （ 7 ）: 45 ⁃ 52 . （in Chinese）

王正 . 转动机械的转子动力学设计 [M]. 北京 : 清华大学出版社 , 2015 .

徐洪志 , 王南飞 , 蒋东翔 . 双转子系统轴承座松动的动力学模型及故障特性 [J]. 航空动力学报 , 2016 , 31 （ 11 ）: 2781 ⁃ 2794 .

XU Hongzhi , WANG Nanfei , JIANG Dongxiang . Bearing pedestal looseness dynamic model of dual rotor system and fault feature [J]. Journal of Aerospace Power , 2016 , 31 （ 11 ）: 2781 ⁃ 2794 . （in Chinese）

马辉 , 吴志渊 , 太兴宇 , 等 . 含碰摩故障的转子⁃盘片⁃机匣系统动力学特性分析 [J]. 航空动力学报 , 2015 , 30 （ 8 ）: 1950 ⁃ 1957 .

MA Hui , WU Zhiyuan , TAI Xingyu , et al . Dynamic characteristic analysis of rotor⁃blade⁃casing system with rub⁃impact fault [J]. Journal of Aerospace Power , 2015 , 30 （ 8 ）: 1950 ⁃ 1957 . （in Chinese）

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