学科前沿系列知识讲座结课报告(力学)

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 0—2—0 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5～7 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。

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，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1.5 MW风力发电机齿轮箱为对象,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。

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⑴就水平轴定桨矩56kW风电机组传动系统进行了动力学特性分析,分析了齿轮箱传动系统的固有特性a Wind Energy Handbook一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0?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。