转子系统碰摩约束模型与振动响应分析.pdf

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1、2015年9月第41卷第9期北京航空航天大学学报JournalofBeijingUniversityofAeronauticsandAstronauticsSeptember2015V01．41No．9http：ffbhxb．buaa．edu．cajbuaa@buaa．edu．cnDOI：10．13700／j．bh．1001-5965．2014．0647转子系统碰摩约束模型与振动响应分析张力1，马艳红“”，梁智超1，洪杰1，2(1．北京航空航天大学能源与动力工程学院，北京100191；2．先进航空发动机协同创新中心，

2、北京100191)摘要：针对转静子碰摩的典型力学特征，从碰摩对转子产生附加约束的角度提出了碰摩力学模型，基于该约束模型，分析了转子系统碰摩过程中的共振区间扩展、振幅跃迁与不稳定接触等响应特征与机理．研究了力学特征参数对转子碰摩振动响应的影响，结果表明附加约束刚度提升使得系统共振区间与不稳定接触区间增大，而转静子间摩擦系数升高造成系统共振区间减小与振动响应幅值的降低．建立了具有航空发动机结构特征的碰摩分析模型，仿真结果表明，除碰摩约束造成的共振区间扩展外，具有结构特征的转子碰摩响应还与碰摩位置及模态振型密切相关．碰摩程

3、度较轻时，转子瞬态响应表现出拟周期振动的特点，而碰摩程度严重时，转子运动趋向不稳定，响应特征更接近约束模型．关键词：转子碰摩；力学模型；特征参数；响应特征；数值仿真中图分类号：V231．92文献标识码：A文章编号：1001．5965(2015)09—1631-07碰摩作为航空发动机多发故障一直为技术人员所关注，国内外学者提出了多种力学模型，试图对碰摩过程进行合理解释与分析．现有研究使用较广泛的主要有刚性与弹性两类模型．刚性模型不计碰摩过程静子变形¨。1，适用于描述点碰摩与局部碰摩．Childs”1针对单盘转子局部碰摩

4、，将碰摩力表示成弹性力与比例阻尼力的组合，Muszynska综合考虑碰摩产生的冲击、摩擦和局部刚化效应，提出了一个碰摩力的数学模型"引．杨树华等"1基于Hertz接触理论建立了碰摩力模型，与传统双线性刚度模型的对比表明，该模型能更好刻画碰摩的非线性过程．弹性模型假定静子是完全弹性的，不考虑碰摩的冲击效应．Sawicki和Montilla．Bravo¨1的模型中不仅假设静子是线弹性的，同时考虑了切向摩擦力的影响，并计入了静子的质量．单颖春等∽J对传统弹性碰摩力模型进行改进，利用有限元接触分析，通过拟合法获得了碰摩力的非

5、线性指数关系．袁惠群等¨“”1提出了具有非线性接触力、非线性摩擦力的多种非线性碰摩力学模型，并应用于碰摩特征的研究和故障诊断，取得较好效果．现有研究多从碰摩力作用的角度建立碰摩分析模型，采用多种方法以求对碰摩力进行准确拟合，而较少考虑碰摩对转子产生的约束作用及其对转子固有振动特性的影响．当碰摩较严重尤其是持续的刮蹭时，静子不仅对转子施加碰撞和摩擦的力载荷，同时将对于转子的振动位移产生约束，造成转子固有特性的改变．本文从碰摩产生约束效应的角度，提出了碰摩约束力学模型，并对约束作用下转子系统的响应特征进行了研究．1转子碰

6、摩力学模型与机理1．1碰摩约束模型航空发动机中碰摩过程包含碰撞、摩擦和刚收稿日期：2014—10-17；录用日期：2015-01-23；网络出版时间：2015-03—1714：54网络出版地址：WWW．cnki．net／kems／detail／11．2625．V．20150317．1454．002．html作者简介：张力(1962一)，男，辽宁庄河人，博士研究生，caochonglll@126．tom}通讯作者：马艳红(1975一)，女，辽宁铁岭人，副教授，595429802@qq．eom，主要研究方向为航空发动机整

7、机动力学．引用格式：张力，马艳红，架智超，等．转子系统碰摩约束模型与振动响应分析fJJ．北京航空航天大学学报，2015，41p)：1631-1637．ZhangL，MaYH，LiangzC，eta1．Constraintmodelandvibrationresponseanalysisofrotorrub·impacte】]．JournalofBe圻ngUniversityofAeronauticsandAstronautics，2015，41(9)：1631—1637(inChinese)．1632北京航空航天大学

8、学报2015年度变化等复杂物理学现象．碰摩发生时，转静子件以一定的相对速度接触，接触的过程带有碰撞冲击效应，引起复杂的瞬态横向振动和部分扭转振动响应¨川1．摩擦与碰撞紧密联系，随着接触部件的相对运动产生．摩擦载荷主要依赖于部件间的正压力、材料与部件的表面特性和相对速度等．在发生碰摩时，静子不仅对转子施加碰撞和摩擦的力载荷，同时对于转子的振动位移